книги из ГПНТБ / Смогилев К.А. Радиоприемники сверхвысоких частот

К. А. СМОГИЛЕВ

РАДИОПРИЕМНИКИ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

РИЖСКОЕ КРАСНОЗНАМЕННОЕ ВЫСШЕЕ ИНЖЕНЕРНО-АВИАЦИОННОЕ ВОЕННОЕ УЧИЛИЩЕ имени ЛЕНИНСКОГО КОМСОМОЛА

Рига — 1960

В в е д е н и е

Особенности приемников сверхвысоких частот

Диапазон сверхвысоких частот (СВЧ) включает частоты, превышающие 30 Мгц и соответствующие диапазону ультра­ коротких волн (УКВ).

Диапазон СВЧ разделяют на частные диапазоны, которые

•обычно называют в соответствии с длинами волн. В таблице 1

.дается разбивка диапазона СВЧ на частные диапазоны.

•число работающих во всех странах радиостанций возросло настолько, что в диапазоне длинных, средних и коротких волн стало трудно размещать новые вещательные или телефонные каналы, каждый из которых занимал интервал частот около 10 кгц. Поэтому каналы связи, а -затем и вещания, стали раз­ мещать в диапазоне все более и более коротких волн. В на­ стоящее время для целей связи используются участки метро­ вого, дециметрового и сантиметрового диапазонов вплоть до волн длиной 5 см.

Интенсивное освоение диапазона СВЧ вызывалось не толь­ ко интересами связи и вещания, оно диктовалось также необ­ ходимостью решения новых технических задач, вставших

3

в связи с развитием новых отраслей радиотехники, таких как радиолокация, телевидение, радиотелеуправление и т. д., и неразрешимых в рамках диапазона длинных, средних и корот­ ких волн.

Для целей радиолокации, например, по многим причинам желательно использовать метровые и более короткие волйы и, в частности, потому, что интенсивность отраженного от цели сигнала растет с уменьшением длины волны.

Высокая точность п разрешающая способность радиолока­ ционных станций достигается благодаря использованию весь­ ма коротких (десятые доли микросекунды) импульсов с кру­ тыми фронтами.

Для генерирования таких импульсов необходимо обеспе­ чить 2 0 1 0 0 периодов высокочастотных колебаний'за время длительности фронта импульса. При длительности фронта импульса тф = 0,1 мксек частота высокочастотных колебаний / должна быть не менее 200 ^ 1000 Мгц.

Для одного телевизионного канала требуется полоса ча­ стот около 5 ^ 6 Мгц, в то время как весь диапазон длинных, средних и коротких волн занимает полосу менее 30 Мгц.

Можно привести много других примеров, которые показы­ вают необходимость перехода в диапазон СВЧ для решения целого ряда технических задач.

В результате освоения диапазона СВЧ появилась аппара­ тура, отвечающая условиям работы в этом диапазоне. Появи­ лись передатчики СВЧ, антенны СВЧ, приемники СВЧ и т. д.

Приемники СВЧ имеют целый ряд специфических особен­ ностей, наличие которых позволяет выделить их в особую группу и изучать на основе опыта, полученного при изучении приемников более низких частот.

Основные особенности приемников СВЧ -заключаются

вследующем.

1.Реальная чувствительность приемника характеризуетс минимальной величиной сигнала на входе (мощности или э.д.с.

вантенне), при которой на выходе обеспечивается заданная величина сигнала (мощность или напряжение) при заданном отношении сигнала к шуму (по мощности или напряжению).

В диапазоне длинных, средних и коротких волн чувстви­ тельность приемника определяется его общим усилением и уровнем внешних, атмосферных и промышленных помех. С ро­ стом частоты уровень внешних помех снижается и в диапазо­ не СВЧ внешние шумы становятся мало заметными. Главное,, решающее значение приобретают в этом диапазоне внутрен­

4

которые имеют весьма широкий спектр, порядка 1"МО Мгц. Для неискаженного приема сигналов с таким широким спект­ ром необходимо обеспечивать не менее широкую полосу про­ пускания приемника.

Гетеродины приемников СВЧ, как правило, не обладают высокой стабильностью частоты, что также требует некоторого расширения полосы пропускания. Поэтому приемники СВЧ

электронов и действие индуктивностей вводов электродов вы­ зывают заметное уменьшение входного сопротивления прием­ но-усилительных ламп с ростом частоты. Последнее обстоя­ тельство заставляет учитывать действие входного сопротивле­ ния лампы при построении схем усилителей.

4. В приемниках СВЧ применяются электронные лампы и резонансные элементы, которые по своим конструктивным и электрическим данным заметно отличаются от соответствую­ щих элементов приемников диапазона длинных, средних и коротких волн.

В приемниках СВЧ широко применяются пальчиковые приемно-усилительные лампы, лампы с дисковыми вводами, лампы с бегущей волной. В смесителях и парометрических усилителях используются кристаллические диоды. В качестве гетеродинов применяются клистронные генераторы. В качест­ ве резонансных элементов служат отрезки длинных линий и

•объемные резонаторы. Для передачи энергии используются кабели, волноводы и т. д.

Кроме перечисленных, имеются и другие особенности при­ емников СВЧ, которые отмечаются ниже. Однако построение -схем и работа приемников СВЧ не могут быть поняты без учета именно этих, основных особенностей.

5

рис. 1.1. представлена осциллограмма продетектированных и усиленных в видеоусилителе внутренних шумов приемника. Максимальные значения напряжения на выходе приемника достигают величнк 50 60 вольт.

Наиболее существенными являются шумы антенны и пер­ вых каскадов приемника, так как эти составляющие шумов вместе с полезным сигналом подвергаются наибольшему усилению.

Шумы отдельных каскадов приемника складываются из шумов элементов цепи (сопротивлений, проводников и т. д.) и из шумов электронных ламп. Поэтому изучение внутренних шумов приемника мы начнем с рассмотрения шумов в отдель­ ных его элементах.

§1.2. Шумы сопротивлений

ВПроводниках и сопротивлениях всегда имеются свобод­ ные электроны, образующие в их объеме так называемый электронный газ. Свободные электроны этого газа, так же,

как молекулы обычного газа, находятся в состоянии беспоря­ дочного теплового движения.

Случайное перемещение электронов из одной области со­ противления в другую вызывает случайное изменение их рас­ пределения 'в объеме сопротивления и появление на его за­ жимах напряжения, которое случайно меняется по величине.

На рис. 1.2. показано сопротивление, которое условно раз­ делено на две половины. В некоторый момент времени число свободных электронов в верхней половине (I) может оказать­ ся больше, чем в нижней (II), тогда заряд верхней части ста­ нет отрицательным по сравнению с нижней частью (ниже ли­ нии 11), между зажимами сопротивления возникнет разность потенциалов. В следующий момент времени, вследствие слу­ чайного характера теплового движения свободных электронов в сопротивлении, их распределение между обеими половинами

7

может случайно измениться, в соответствии с этим случайно изменится и напряжение на зажимах сопротивления. Так со­ вершенно случайно меняется во времени напряжение на за­ жимах сопротивления, т. е. появляются электрические флюк­ туации.

1

б

Рис. 1.2.

Если к зажимам сопротивления подключить весьма чувствительный, безинерционный вольтметр, который измеряет мгновенное значение напряжения, то по показаниям этого вольтметра можно построить кривую случайного изменения напряжения на зажимах сопротивления во времени, которая соответствует кривой случайного изменения распределения числа свободных электронов между обеими половинами со­ противления. На рис. 1.3. дается такая кривая возможного изменения напряжения на зажимах сопротивления.

Из рис. 1.3 видно, что шумовое напряжение описывается весьма сложной кривой и принимает как положительные, так и отрицательные значения, причем, как это установлено тео­ ретически и экспериментально, среднее значение напряжения

8

тепловых шумов за длительное время равно' нулю, Поэтому уровень шумов невозможно оценивать по среднему значению напряжения.

Случайный характер изменения напряжения шумов затруд­ няет количественную оценку интенсивности электрических флюктуаций. Максимальное значение напряжения не может характеризовать уровень шумов, так как оно редко достигает­ ся, среднее значение чаще всего равно нулю. Поэтому уровень электрических флюктуаций, их интенсивность характеризуется эффективным, среднеквадратичным значением напряжения или тока, квадраты которых пропорциональны средней мощ­ ности шумов, т. е. мощности, измеренной в течение длительно­ го времени.

Среднеквадратичное или эффективное напряжение шумов, которое в дальнейшем будем обозначать и ш, определяется следующим выражением:

вале может быть получена экспериментально в виде осцилло­ граммы. Одна из таких осциллограмм представлена на рис. 1.1.

На рис. 1.4,а показана кривая изменения шумового напря­ жения во времени. Возводя ординаты кривой рис. 1.4,а в квад­ рат, получим кривую рис. 1.4,в, с помощью которой можем в соответствии с (1.1) графически найти квадрат среднеквад­ ратичного напряжения шумов, поделив площадь под кривой на время наблюдения Т.

Эффективное напряжение шумов можно замерить непо­ средственно, например, с помощью инерционного теплового вольтметра. Причем, если среднеквадратичное напряжение или ток измеряются на сопротивлении R, то мощность шумов

мерений, является приемлемой характеристикой их интенсив­ ности. Однако значение этого напряжения носит частный ха­

9