5.9 Малошумящие усилители свч
5.9.1 Общие сведения о малошумящих усилителях
Малошумящие усилители (МШУ)
применяются для уменьшения шума и
повышения чувствительности
радиоприемного устройства. На СВЧ в МШУ
применяются СВЧ транзисторы, ЛБВ,
туннельные диоды, параметрические
полупроводниковые диоды, джозефсоновские
переходы и квантовые приборы. Наиболее
важный параметр усилителя в первом
каскаде
Наименьший шум из существующих усилителей имеют квантовые парамагнитные усилители (КПУ) — их шумовая температура в сантиметровом диапазоне волн 10 К. Однако, в КПУ необходимо охлаждение парамагнитного вещества до температуры жидкого гелия (4 К), что требует использования дорогих криогенных установок, ограничивающих области применения этого вида усилителей.
В широком диапазоне частот, включая миллиметровые волны, в усилителях могут быть использованы джозефсоновские переходы (УДП), работающие при гелиевых температурах [9, 92]. Джозефсоновские переходы с малой емкостью (точечные контакты, тонкопленочные мостики) могут использоваться для параметрического усиления слабых СВЧ сигналов, причем накачкой может служить как внешний источник, так и собственная джозефсоновская генерация перехода (автонакачка).
УДП применяют, главным образом, в радиоастрономии, но весьма эффективно использование джозефсоновских переходов в смесителях миллиметрового диапазона. УДП имеют наиболее высокий частотный предел и, обладая шумовой температурой 15 ... 50 К, по шумам лишь немного уступают КПУ.
Примерно такую же шумовую температуру имеют параметрические полупроводниковые усилители (ППУ), если их охладить до температуры жидкого азота (78 К) или водорода (20 К), что связано с меньшими техническими трудностями. Шумовая температура охлаждаемых ППУ порядка 17... 20 К при водородном уровне и 50 К при азотном уровне, что позволяет эффективно их использовать в системах спутниковой связи. Если охладить ППУ до гелиевой температуры, можно получить практически такую же шумовую температуру, как и в КПУ.
Неохлаждаемые ППУ работают без криогенной аппаратуры в широком диапазоне частот (0,3 ... 50 ГГц) и позволяют получить сравнительно низкие шумовые температуры 30 ... 300 К (в зависимости от частоты). Эти их достоинства определили широкое использование ППУ в радиолокации, спутниковой связи и некоторых других областях радиотехники.
В последнее время ППУ начинают вытесняться усилителями на полевых (ПТ) и биполярных (БТ) транзисторах. Особенно большое распространение получили в интегральных схемах на СВЧ усилители на полевых транзисторах с барьером Шоттки (ПТШ) на основе арсенида галлия. На частотах до 3 ГГц усилители на БТ почти не уступают по параметрам усилителям на ПТ, но с повышением частоты преимущество на стороне полевых транзисторов. Особенность ПТШ – преимущественно тепловая природа его шумов, поэтому охлаждение приводит к значительному уменьшению коэффициента шума. Усилители на ПТ, охлажденные до водородной температуры, имеют почти такие же шумы, как УДП и охлажденные ППУ, а в схемном и конструктивном отношениях значительно проще последних.
Несколько худшими, чем ППУ и усилители на ПТ шумовыми свойствами обладают усилители на туннельных диодах (УТД), которые в трехсантиметровом диапазоне имеют шумовую температуру ~ 300 К.
Усилители на туннельных диодах используются, главным образом, в сантиметровом диапазоне, но могут работать в диапазоне 0,25 … 20 ГГц.
Более шумящие, но зато широкополосные, – усилители на лампах бегущей волны (ЛБВ). В диапазоне от 0,25 до 100 ГГц шумовые температуры усилителей на ЛБВ лежат в пределах от 300 до 3000 К.
Шумовые и усилительные свойства МШУ, в значительной степени, зависят от рабочей частоты – рис. 6.1.
КПУ, ППУ и УТД – регенеративные усилители двухполюсного типа, у которых одни и те же клеммы являются входными и выходными. К резонатору, связанному с отрицательным сопротивлением, поступает волна сигнала, происходит регенерация, и отраженная усиленная волна поступает в ту же линию, которая подводит сигнал к резонатору. Такие двухполюсные регенеративные усилители подключаются к антенне и нагрузке (входу приемника) с помощью циркуляторов, которые обеспечивают стабильность параметров усилителя при изменении импеданса цепей источника и нагрузки, а также предотвращают регенерацию шумов нагрузки.
|
|
|
Рис. 6.1 – Шумовые температуры и коэффициенты шума различных типов МШУ в зависимости от частоты: 1 – КПУ; 2 – УДП; 3 – ППУ охл. до 20К; 4 – УПТ охл. до 20К; 5 – ППУ охл. до 78К; 6 – ППУ неохл.; 7– УТД; 8 – УПТ неохл.; 9 – УБТ неохл.; 10 – ЛБВ; 11– смесители на ДБШ |
Циркуляторы обеспечивают однонаправленное движение электромагнитной волны и позволяют, поэтому разделить прямую и отраженную волны – рис. 6.2.
|
Рис. 6.2, а) – Схема включения регенеративного усилителя |
На рис. 6.2, а) – схема включения регенеративного усилителя «на отражение»: СН – согласованная нагрузка; Ц – циркулятор; Пр – приемник; А – антенна; РУ – регенеративный усилитель. |
Сигнал из антенны А (рис. 6.2, а) поступает на вход циркулятора 1, усиливается в регенеративном усилителе (РУ), подключаемом ко входу 2; отраженная волна поступает от входа 2 ко входу 3, к которому подключается основной супергетеродинный приемник Пр. Отраженная от приемника (вследствие плохого согласования) волна поглощается согласованной нагрузкой СН, подключаемой ко входу 4. При хорошем согласовании нет необходимости в четвертом плече и можно ограничиться трехплечным или Y-циркулятором. При необходимости обеспечить более надежную развязку включают несколько (два – три) циркулятора, образующие пятиплечный циркулятор.
В некоторых случаях можно реализовать регенеративный усилитель и по схеме четырехполюсника, когда сигнал подводится к резонатору по одной линии, а отводится с помощью другой линии (рис. 6.2, б). Входной вентиль ферритовый (В1) служит для развязки МШУ и источника, а выходной (В2) — для развязки МШУ от нагрузки.
|
|
В1 |
|
РУ |
|
В2
|
|
Пр |
На рис. 6.2, б) – включение регенеративного |
|
|
|
|
|
|
усилителя «на проход»: | |||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В1 и В2 – ферритовые вентили; Пр – приемник; РУ – регенеративный усилитель
|
Рис. 6.2, б) – Включение
регенеративного
усилителя «на проход»