Розанов Б.А., Розанов С.Б. Приемники миллиметровых волн (1989) (1095357), страница 32
Текст из файла (страница 32)
(Ло — длина волны промежуточной частоты). С учетом диспер(У.+)о)о — )о ) ' +Ь,— цо — 1„',)'но (~+1~ -1.'„ 2Я Если Ло 07Л р то тж0,25(„1)о в геж0,25Ло. Здесь )хо и Лхр— критические частота и длина волны в волноводе кольцевого резонатора. Соотношения для коэффициентов передачи через кольцевой езонатор получаются суммврованием бесконечного числа убываю- числ ших по геометрической прогрессии вол~и, совершивших ра лич о о обходов кольца, и приводятся в (80], Нагруженная добз н е ротность кольцевого резонатора оо,(1 Р)цх ехр ( — аоо!2) (' Лхо ')о ч 1 — (1 — р) ехр ( — ав) (, Ло ) где р — коэффициент передачи мощности через направленный ответвитель в прямом направлении; а — затухание на единицу длины кольца в неперах.
В фильтрах рассматриваемого вида можно использовать несколько связанных кольцевых резонаторов. Кроме полых волноводов кольцевые резонаторы могут быть реализованы .на микро- полосковых линиях, диэлектрических кольцах, дисках и других типах трактов 11, 801. Другим примером применения на ММ волнах длинных линий для достижения высокой избирательности может служить использование длинного волноводного короткозаикнутото шлейфа смесителя для подавления одной из боковых полос приема (см.
рис. 2.33) . 4.2. ГЕТЕРОДИИЫ В качестве гетеродинов супергетеродвнных приемников ММ диапазона используют маломощные вакуумные и твердотельные генераторы: клистроиы, лампы обратной волны (ЛОВ), генеоаторы на диодах Ганна (ГДГ) и лавинно-пролетных диодах (Л)ТД), а также варакторные умножители частоты более низкочастотных генераторов. В лабораторных образцах приемников коротковолновой части ММ и СММ диапазонов применяют также молекулярные лазеры с оптической накачкой. Исследуются возможности 1ьв создания маломощных генераторов ММ диапазона иа туннельиопролетных диодах и полевых транзисторах.
Физические принципы работы, устройство и характеристики всех этих приборов описаны в обзорных работах [1, 3, 8, 9, 121, содержащих большое число ссылок на оригинальные источники. Ниже излагаются главным образом епотребительские» характеристики гетеродинов на приборах различною типа. Гетеродины на отражательных клистровах, обладающие низким уровнем шума в возможностью электронной перестройки, являются одним вз наиболее широко используемых типов вакуумных гетеродивов в сантиметровом и длинноволновой части ММ диапазонов. Однако с ростом частоты увеличиваются необходимые напряжения питания, уменьшаются размеры электродов и резонатора клистрона, увеличивается их рабочая температура.
Это приводит к резкому усложнению производства, уменьшению генерируемой мощности и срока службы клистронов. Одновременно сокращается диапазон электронной перестройки. На частотах выше 100 ...120 ГГц клистронные гетеродины становятся дорогими и ненадежными приборами, требующими высоковольтных источников питания. Лампы обратной волны благодаря широкому диапазону и высокой крутизне электронной перестройки (10...50 МГц1В) очень удобны для создания электронно-управляемых гетеродинов в панорамных приемниках, системах частотной и фазовой автополстройки (ЧАП и ФАП), гетеродииах с модуляцией и манипуляцией частоты.
Высокая крутизна перестройки приводит и к нежелательной зависимости их спектра от нестабильностей источников питания, Рабочий диапазон этих приборов охватывает весь ММ и значительную часть СММ диапазона (до 1000 ГГц). Генерируемая мощность на частотах вблизи 100 ГГц может достигать нескольких ватт. Так же как и в случае клистронов, для ЛОВ с ростом частоты увеличиваются питающие напряжения, падает генерируемая мощность,и сокращается диапазон электронной перестройки.
Использование в приемниках твердотельных гетеродинов позволяет исключить ие только относительно громоздкие вакуумные генераторы, но,и высоковольтные источники питания, что приводит к значительному выигрышу в массогабаритвых характеристиках, простоте эксплуатации аппаратуры и повышению ее надежности. Среди твердотельных генераторов ЛПД обладают наибольшей мощностью н верхней граничной частотой (рнс. 4.3). Механизм .генерации в этих приборах связан с фазовым сдвигом тока лавинного пробоя относительно напряжения на полупроводниковой структуре, обладающей выбранным определенным образом пролетным промежутком для носителей. Используются однопролетные и двухпролетные структуры ЛПД. Последние обладают более высоким КПД на частотах ниже 100 ГГц, однако на высших рабочих частотах однопролетные ЛПД имеют лучшие характеристики.
Наиболее высокочастотные структуры ЛПД изготав- 167 г,иеПР Оу Рис. 4.3. Частотные зависимости мощности и КПЛ генераторов иа ЛПД и Диодах Гпмнп) ! — мощность ЛПД-генераторов на основе ОаАв )пружнн) н И! )тонна); Кид генераторов на пвухпролетных [Е) н опнопролетныт Кч ЛПД; мсщноств М) н КПД )Е) ГДГ на осмоае ОаАа: мощность ГДГ на осмове !пр М) ливают из кремния. Работа ЛПД О,) происходит в условиях сильного разогрева полупроводниковой структуры ((т250'С), который ограничивает возможность получения более высокой мощности (перегрев приводит к резкому сокрашению долговечности прибора).
Поскольку с ростом частоты размеры структуры уменьшаются, температурное ограничение является одной из причин уменьшения генерируемой мощности на высоких частотах. В силу механизма генерирования спектр ЛПД сильно зашумлен, критичен к питающим напряжениям и настройке резонансной системы; нередко наряду с основной генерируемой линией в нем наблюдаются побочные. Существенное улучшение спектра может быть обеспечено различными мерами частотной стабилизации.
Вследствие отмеченных особенностей при использовании гетеродинов на ЛПД необходимо подавление их шумов в устройствах связи со смесителем. В отличие от ЛПД в диодах Ганна механизм генерации обусловлен эффектамн междолинного переноса электронов во всем объеме полупроводника; он не связан с прохождением носителей через полупроводниковые переходы и развитием лавинных процессов. Поэтому уровень шумов ГДГ намного ниже. Однако максимальная частота ГДГ из арсенида галлия, определяемая подвижностью носителей, составляет 110 ГГц. Сравнительно недавно разработанные ГДГ на основе фосфида индия обладают более высокой мощностью (рис. 4.3) н могут быть использованы на частотах до 200 ГГц. Исследуемые лабораторные образцы туннельно-пролетных диодов имеют низкий уровень шума и перспективны на частотах до 500 ...
800 ГГц [8]. .Максимальная частота твердотельных генераторов может быть существенно повышена при использовании умножителей частоты на диодах, подобных ДБШ, но оптимизированных по другим по сравнению со смеснтельными диодами критериям, Высокий КПД умножителей (порядка 15...25))п для удвоителей и 2... 10"))р для утроителей частоты) обеспечивается при работе диода как варактора.
Для этого значительно увеличиваются толщина эпислоя полупроводниковой структуры и величина обратного пробивного напряжения (до 14 В); оптимальный диаметр диодов составляет около 5 мкм, а оптимальная концентрация примесей в эпислое 108 0,0) )О А)ж4 10'в см — и. Волноводная арматура умножителя может рассчитываться методами, близкими к использованным в гл. д л. 2 ля анализа внешней цепи смесительного ДБШ. Она должна обеспечивать активную нагрузку диода только на входной и выходной частотах. На,практике необходимым т~ребоввниям отвечает конструкция с двумя скрещенными волноводами [3, 4]. Выходная мо)цность умложителя уменьшается с ростом частоты от на частотах 100...250 ГГц до долей м~нлливатта .на частотах 500...
Оценка перспектив использования в ММ диапазоне гетеродннов на полевых транзисторах выполнена в [23]. Во многих приемниках ММ диапазона предъявляются высокие т ебования к точности установки частоты генерации, стабильноре сти и когерентности гетеродинов. В зависи о кости этих требований они обеспечиваются параметрической стабилизацией, внешними высокодобротными резонаторами (перспекте)вны диэлектрические, в том числе охлаждаемые, резонаторы), схемами ЧАП и ФАП по эталонному иеточнику. Техника построения таких устройств в настоящее время достаточно хорошо разра тана [ бо [г8]. Наиболее распространены и совершенны систео ФАП в мы ФАП, сочетаемые с ЧАП. Последняя вводит кольцо в синхроннзм в момент включении и в случае выхода частоты из полосы удержания ФАП под воздействием помех.
Достижимый фазовых шумов в правильно спроектированной системе уровень ф з в х ФАП превосходит уровень шума опорного источника ненамного больше, чем в и ра, и' раз, где и — кратность умножения частоты. Д химизации генераторов ММ диапазона по уровню фазовых ля оп о высоко шумов ц елесообразно понижать и, применяя достаточн нап,име СВЧ-гене- частотные когерентные опорные источники, например раторы, стабилизированные высокодобротным диэлектрическим резонатором. 4.3.
ВЫСОКОЧАСТОТИЫЕ УСИЛИТЕЛИ В риемниках ММ диапазона используются три типа малошуп мящих усилителей высокой и промежуточной частоты ( УПЧ): квантовые парамагннтные (КПУ), полулроводниковые параметрические (ППУ) и яа полевых транзисторах (ТПУ). В неохлаждаемых УПЧ используются также усилители на биполярных транзисторах (БТУ). Роль КПУ и ППУ как малошумящих входных каскадов приемников остается довольно существенной в длинноволновой части ММ диапазона, Отметим уникальный опыт длительной эксплуатации КПУ восьмимиллиметрового диапазона на радиотелескопах ФИАН и КРАО АН ОССР [21] и ППУ того же диапазона, РТ-22 и аботающего в течение многих месяцев в составе в ысокоч встви- У ра а тельного космического радиометра для исследова, р ния еликтового ф:- [11].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
