книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

электрического сопротивления под воздействием падающей на него энергии приходящих сигналов. Чувствительные элементы болометров, воспринимающих радиацию, выполняют, например, из полупроводни­ ковых материалов с большим температурным коэффициентом сопро­ тивления (германий и др.). Германиевый болометр обеспечивает чувствительность 5 • 10~13 -г 10-12Вт/Гц. Вследствие большой инер­ ционности (постоянная времени т ~ 4 • 10"4 с) применение тепловых приемников ограничено.

Другой важный тип приемника децимиллиметрового диапазона — детекторный приемник на сурьмянистом индии (InSb). Как будет

показано, в приемниках оптического диапазона широко используют полупроводниковые приборы с собственной или примесной прово­ димостью. Чувствительность таких квантовых приборов, принцип действия которых основан на фотоэлектрическом эффекте, меняется с изменением длины волны. Характеристики названных приемников

что в некоторых полупроводниках, охлаждаемых до низких темпера­ тур, возникает фотопроводимость в децимиллиметровом диапазоне и она стимулируется сильным магнитным полем. Таким почти единст­

частотами. На рис. 14.3 изображена схема приемника с объемным детекторным элементом из InSb с проводимостью n-типа. Нелинейные явления в таком детекторе основаны на увеличении проводимости по­ лупроводника благодаря повышению температуры свободных элект­ ронов, обусловленному поглощением падающей радиации чувстви­ тельным элементом. В рассматриваемой схеме сигнал поступает в вол­ новод и затем через повышающий согласующий высокочастотный

540

трансформатор (фильтр) к приемному элементу, расположенному в многоволновом резонаторе, что облегчает согласование потока излучения с приемным элементом (детектором). После детектирования сигнал поступает в усилитель. Охлаждаемый фильтр, применяемый для уменьшения фона окружающей среды, позволяет повысить чув­ ствительность приемника. Сильное магнитное поле создается сверх­ проводящими соленоидами. Для одного образца детектора на InSb

показывают возможность использования такого нелинейного элемента в преобразователях частоты.

Изложению сложных и многообразных вопросов техники милли­ метровых и децимиллиметровых воли посвящены монографии [], 21, а также ряд обзоров и статей, в том числе, сборник статей зарубежных ученых, содержащихся в специальном выпуске 15].

14.3. О приеме оптических сигналов

Системы оптического диапазона волн могут быть пассивные и ак­ тивные. Пассивные системы предназначены для приема естественного инфракрасного излучения от различных тел, температура которых отличается от абсолютного нуля. Подобно радиометрам они предназ­ начены для обнаружения объектов, измерения дальности до них, определения их температуры и др. Активные системы, использующие

В таких системах могут быть применены также некогерентные источ­ ники излучения (люминесцентные лампы и др.). Принцип действия ОКГ подобно квантовым приборам СВЧ основан на взаимодействии электромагнитного излучения с микрочастицами вещества. В на­ стоящее время создают ОКГ на газообразном и твердом веществах, в том числе на полупроводниковых диодах. Газовые ОКГ могут рабо­ тать в непрерывном и импульсном режимах и по сравнению с другими генераторами обеспечивают наиболее узкую линию излучаемых коле­ баний. Их излучением перекрывается наибольший участок спектра колебаний.

В результате разработки оптических квантовых приборов появи­ лась возможность реализации усиления оптической несущей и супер­ гетеродинного метода приема. Тем не менее на практике преимущест­ венно используют детекторные приемники, осуществляющие прямое некогерентное детектирование сигналов. Введение в схему приемника предварительного оптического квантового усилителя (ОКУ) способ­ ствует увеличению его чувствительности, особенно в случае значитель­ ного превышения внутренних флюктуаций приемника над уровнем внешних помех. ОКУ весьма широкополосны и обладают невысоким коэффициентом шума (N х 1—2 дБ) при полосе частот П « 100 МГц. Практическое осуществление супергетеродинного приема достаточно сложно и нуждается в разработке простых и надежных схем смещения двух световых потоков.

5'1

На рис. 14.4 изображена структурная схема передачи и приема информации оптического диапазона. В ней каскады, следующие за фотоприемником (детектором) являются обычными радиотехнически­ ми устройствами. Для передачи информации излучение ОКГ модули­ руется сигналом оптического модулятора. К основным характеристи­ кам таких модуляторов относятся широкополосность и линейность модуляционной характеристики. Различают внутренние и внешние методы модуляции. В первом случае модулирующий сигнал воздейст­ вует на параметры оптического резонатора (добротность, величину об­ ратной связи) или непосредственно на источник накачки, т. е. непо­ средственно на процесс генерации. При внешних методах, наиболее разработанных, модулирующий сигнал воздействует уже на сформнро-

т

Оптическая часть приемника

Рис. 14.4

ванное излучение генератора. В этом случае луч лазера пропускают через-специальную среду, параметры которой изменяются под дейст­ вием модулирующего сигнала.

Оптическая приемная система, как и передающая, представляет собой набор линз и других элементов. Она улавливает поток излуче­ ния и фокусирует его так, что облученность чувствительного элемента приемника оказывается больше облученности поверхности оптиче­ ской системы. Для повышения чувствительности устраняют мешающее действие излучения фона, применяя оптические фильтры. Ими служат пленочные интерференционные фильтры, обеспечивающие согласова­ ние спектральной области работы устройства с одним из атмосферных

Как уже отмечалось, в оптических системах широко применяют квантовые (фотонные) приемники. В таких приемниках, называемых фотодетекторами, е ы х о д н о й ток пропорционален мощности поступаю­ щих колебаний, и они воспроизводят только изменение амплитуды потока, поступающего на чувствительный элемент. В зависимости от характера взаимодействия излучения с веществом чувствительного элемента их делят на два класса: приемники с внешним фотоэффектом, работающие в ближней области ПК излучения и области видимого света, и приемники с внутренним фотоэффектом, обеспечивающие прием в более широком диапазоне колебаний. В приемниках с внеш­ ним фотоэффектом [фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) и др.) в ре-

642

зультате поглощения энергии облучения образуется поток свободных зарядов. В приемниках с внутренним фотоэффектом (фотосопротив­ ление, фотодиод и др.) при поглощении энергии облучения электроны изменяют свое энергетическое состояние, не покидая вещества; воз­ никающие свободные заряды могут перемещаться внутри вещества

иизменять его электропроводность или создавать фото-э. д. с.

Вобщем случае работу фотоприемника с внутренним или внешним фотоэлектрическим эффектом можно представить в виде трехступен­ чатого процесса (рис. 14.5, а). Здесь учитывается, что первоначально

оптическое излучение Р св создает в приемнике свободные носители

Вых

Рис. 14.5

зарядов, что характеризуется квантовой эффективностью rj. Кванто­ вой эффективностью называют, например, отношение числа фото­ электронов, вышедших из облучаемой поверхности фотокатодов при­ емников с внешним фотоэлектрическим эффектом, к числу поглощае­ мых за это же время фотонов внешнего оптического облучения. Вторая ступень М отражает возможность наличия какого-либо механизма усиления по току; в частности,* в ФЭУ усиление обеспечивается при вторичном эмиссионном умножении носителей зарядов. Наконец, ток, образованный свободными носителями, после умножения взаимодей­ ствует с внешней цепью, что характеризуется третьей ступенью Р э, в которой регистрируется выходной эффект. Величина сопротивления R з определяется всеми внутренними эффектами, связанными с пре­ образованием переменной составляющей тока в полезную мощность сигнала Р вых и есть не что иное, как сопротивление нагрузки фото­ приемника.

Определим чувствительность детекторного приемника. Эффектив­ ность оптических систем ограничивается в отличие от эффективности систем диапазона радиоволн не только внутренним и внешним шумом, но и в общем1случае квантовой природой самих оптических сигналов.

При анализе работы фотоприемников используют две статические

543

приведены световая и вольт-амперная характеристики ФЭУ-28 с од­ ним типом фотокатода.

Пусть мощность светового сигнала па фоточувствительной по­

Тогда переменную составляющую тока на выходе фотодетектора можно

Полная мощность шума на выходе складывается из следующих сос­ тавляющих:

—составляющей дробового шума, равной 2 е44/тР эПш, обуслов­ ленной темнсвым током / т, т. е. током, протекающим при отсутствии освещения фотокатода;

—составляющей дробового шума, равной 2 еМ21 ФР ЭТ1Ши обус­

ловленной действием фонового тока / ф;

—составляющей дробового шума, равной 2 еМ21ВХ0 Р ЭПШ, обус­ ловленной действием сигнала;

—составляющей теплового шума внутреннего сопротивления, равной кТП.

Вэтих выражениях / т, I ф, / пх0 — средние значения темпового и

фонового токов и тока сигнала соответственно, причем

/вхо = 44т] ^ Р с во > /ф ~ 44 т] - j- j- Рф,

где Рф — мощность фоновой засветки на фоточувствительной по­ верхности приемника, обусловленная излучением Солнца, свечением неба и других небесных тел (Луна, звезды, облака).

В результате отношение сигнал/шум по мощности на выходе можно получить в виде

Выражение (14.5) определяет реальную чувствительность фотоприем­ ника. В случае малого значения внешнего шума, определяемого мощ­ ностью Рф, и коэффициента усиления 44 пороговая чувствительность,

544

выражаемая ЭМШ, будет определяться в основном действием тепло­ вого шума. При той же величине мощности Р ф, но*при большом уси­ лении потоку М пороговая чувствительность будет определяться глав­

фективность приемников: чем больше значения этих параметров, тем лучше фотоприемннк.

Отношение сигнал/шум не может являться вполне удовлетворитель­ ной характеристикой, что определяется, в первую очередь, статисти­ ческими флюктуациями сигнала и шума. В последнее время получают распространение статистические методы определения оптимальных характеристик систем оптической связи.

Другими важными характеристиками фотоприемников являются также спектральная и интегральная чувствительность. Спектральная чувствительность — это чувствительность приемника оптического из­ лучения в зависимости от его длины волны. Интегральная чувстви­ тельность — это отношение фототока на выходе к общему падающему световому потоку.

Изложению вопросов работы квантовых приборов и их применению посвящен ряд работ, в том числе монографии [3, 6—8]

Список литературы

М., «Машиностроение», 1967.

5.Миллиметровый и субмиллиметровый диапазоны. Тематический выпуск.—

ТИИЭР, 1966, № 4,

6.Ш е р е м е т ь е в А. Т. Статистическая теория лазерной связи. М., «Связь»,

1971.

7. Р о с с М. Лазерные приемники. М., «Мир», 1969.

8. К о к У. Лазеры и голография. Пер. с англ. Г. И. Кузнецова. М., «Мир», 1971.

15. Направления развития, задачи и проблемы радиоприемной техники

Днем изобретения радио, как известно, является 7 мая 1895 г., когда А. С. Попов на заседании физического отделения Русского фи­ зико-химического общества публично демонстрировал построенный им первый в мире радиоприемник, пригодный для радиосвязи. Этим выда­ ющимся событием в истории радиотехники определяется особая роль техники радиоприема.

545

В 1970 году в Советском Союзе широко отмечалось 75-летие со дня изобретения радио. За истекшие три четверти века техника радиопри­ ема прошла большой и плодотворный путь развития. Основными направлениями этого развития являлись: повышение качества радио­ приемников и их элементов, освоение все более и более высоких частот, расширение областей применения радиоприемных устройств, совершен­ ствование технологических процессов их производства и увеличение количества радиоприемников и радиоприемных устройств самого разнообразного назначения. Во всех этих направлениях достигнуты весьма большие успехи.

Царская Россия оставила нам незавидное наследство в области ра­ дио вообще и техники радиоприема в частности. Дореволюционная радиопромышленность значительно отставала от радиопромышленности западно-европейских стран и США.

К моменту опубликования Ленинского декрета 19 июля 1918 г. «О централизации радиотехнического дела» в различных городах на­ шей страны было установлено всего лишь около 100 приемных радио­ станций. По инициативе В. И. Ленина во второй половине 1918 года была создана знаменитая Нижегородская радиолаборатория, превра­ тившаяся в первый в нашей стране научно-исследовательский радио­ технический институт. Эта лаборатория сделала очень много для развития радиотехники в нашей стране. Впоследствии она была пере­ ведена в Ленинград и вошла в большое научно-промышленное объеди­ нение, которое там было создано.

Благодаря энергичным мерам, принятым Коммунистической пар­ тией и Советским правительством, количество радиоприемников и ра­ диоприемных станций в нашей стране неуклонно возрастало. Уже к 1922 г. радиоприемные станции имелись примерно в 50% городов на­ шей страны. Однако в своем большинстве радиоприемники были детек­ торными.

В годы первой пятилетки, когда Советский Союз вышел на одно из первых мест в Европе по мощности сети радиопередающих стан­ ций, было организовано производство ламповых радиоприемников. Однако в то время не удалось ликвидировать отставание радиоприем­ ной аппаратуры страны как в количественном, так и в качественном отношении. Вторым пятилетним планом (1933—1937 гг.) предусматри­ вался уже выпуск 4 млн. радиовещательных приемников, но около по­ ловины из них еще были детекторными. В последующие предвоенные годы были предприняты серьезные меры, направленные на строитель­ ство новых крупных заводов для выпуска ламповых радиовещатель­ ных приемников, а также на расширение сети научно-исследователь­ ских и опытно-конструкторских организаций.

и трансляционных устройств, то уже к началу 1962 г. их число состав­ ляло 69,2 млн. Если в 1953 г. у населения СССР имелось всего лишь

646

века в зонах, охваченных телевидением. Только за один 1970 г. мощная советская радиопромышленность выпустила 7 млн. телевизоров.

Мечта В. И. Ленина об использовании радио как средства информа­ ции, просвещения и воспитания, благодаря энергичным мерам, при­

1970 г. радиовещательные программы принимались на 67 языках на­ родов СССР на всей территории страны, а среднесуточный объем про­ грамм вещания составлял более 1300 ч.

Большое влияние на развитие радиоприемной техники за послед­ ние 10—15 лет оказали успехи, достигнутые советской электронной про­ мышленностью в быстром освоении и массовом производстве полупро­ водниковых приборов и, в частности, транзисторов. В наши дни про­ цесс «транзйсторизации», т. е. сплошной переход к конструкциям и технологии производства радиоприемной аппаратуры на основе полу­ проводниковых приборов, уже закончился — прежние ламповые ра­ диоприемники уступили место приемникам на транзисторах.

Одной из основных тенденций в развитии радиоприемной техники является освоение все более и более высоких частот. На всем пути раз­ вития радиотехники и электроники, начиная с момента изобретения радио А. С. Поповым и до наших дней, освоение каждого нового диапа­ зона сопровождалось качественными скачками как в свойствах радио­ электронной аппаратуры, так и в ее практическом применении. Так, освоение декаметровых радиоволн .позволило осуществить радиотеле­ графную и радиотелефонную связь на больших расстояниях, освоение метровых волн вызвало к жизни высококачественное телевидение, ра­ диолокацию, радиорелейные линии связи, радиоастрономию и т. д.

Процесс «транзисторизации» радиоприемной техники тесно связан с совершенствованием полупроводниковых приборов в смысле улуч­ шения их свойств и характеристик при работе на все более и более высоких частотах. Повышение «частотного потолка», т. е. наивысшей частоты, при которой полупроводниковый прибор еще сохраняет свои хорошие характеристики для работы в различных каскадах приемни­ ков, требовало проведения весьма трудоемких научных и опытно-кон­ структорских работ.

В силу этих обстоятельств процесс транзисторизации вначале завершился в приемниках метровых и более длинных волн. Однако впо1 следствии он распространился и на приемники сантиметрового диапа-;

усиление около 10дБ при коэффициенте шума 5—6 дБ, а транзисторные гетеродины — на частотах 5—6 ГГц.

В последние годы все шире и шире начинают использовать по­ левые транзисторы со структурой цепи входного электрода (затвора) «металл — оксид—полупроводник» (МОП). Это объясняется тем, что они обладают весьма хорошими характеристиками — большим входным сопротивлением, большим усилением по мощности и малым уровнем шума.

5 4 7

Наряду с использованием дискретных полупроводниковых приборов в радиоприемной аппаратуре в последние годы происходит переход к пленочным и монолитным многоэлементным миниатюрным блокам. Это позволяет значительно уменьшить габариты, например разместить Есе элементы многокаскадного усилителя промежуточной частоты в объ­ еме, равном объему одного обычного транзистора. Использование кон­ струкций, основанных на применении полосковых цепей, дало возмож­ ность осуществить миниатюризацию различных сверхвысокочастотных блоков приемников и, в частности, циркуляторов.

Существенный прогресс достигнут в улучшении качественных ха­ рактеристик радиоприемных устройств и, в частности, их реальной чувствительности.

В первый долампсвый период развития радиотехники чувстви­ тельность радиоприемников была весьма низка. В наши дни строят радиоприемные устройства с высокой чувствительностью. Так, на­ пример, комплекс антенных и приемно-усилительных устройств, пред­ назначенный для приема радиосигналов от советской автоматической межпланетной станции, посланной в район Венеры в 1961 г., позволял принимать потоки мощности плотностью в 1СГ22 Вт/м2. При помощи со­ временных радиоастрономических приемных устройств удалось обна­ ружить радиоизлучения весьма удаленных космических объектов, на­ ходящихся на расстоянии до десяти миллиардов световых лет от Земли.

Применение радиоприемных устройств высокой чувствительности позволило, пользуясь современными радиолокационными методами, точно измерить среднее расстояние от Земли до Солнца, что особенно важно для расчета траекторий космических кораблей. Проведенные в Академии наук СССР в 1961 и 1962 гг. радиолокационные исследова­ ния Венеры дали возможность определить масштаб солнечной систе­

точность воспроизведения и т. д.

Большой прогресс достигнут в построении радиоприемных устройств с малым уровнем внутреннего шума. Уже в 1960—1962 гг. в дециметровом диапазоне волн были построены усилители с исполь­ зованием туннельных диодов, а в последующие годы повышение «час­ тотного потолка» этих диодов из арсенида галия позволило эффективно использовать их в сантиметровом диапазоне волн.

Применение квантовых парамагнитных усилителей (мазеров) и ди­ одных параметрических усилителей значительно снизило уровень соб­ ственного шума радиоприемников.

Параметрические усилители при комнатной температуре дают воз­ можность строить приемники на частотах 3—4 ГГц с температурой шума до 110—130 К, а при охлаждении первого каскада двухкаскадного усилителя жидким азотом—до 45—50 К, а жидким гелием—до 20 К. В ряде случаев в комплект радиоприемника входит автономная крио­ генная гелиевая установка с замкнутым циклом, обеспечивающая по­ стоянное охлаждение соответствующих его цепей.

548

Еще более низкие температуры шума (до 10 К) радиоприемника получают при использовании квантовых усилителей с кристаллами из искусственного рубина, охлаждаемыми до температуры жидкого ге­ лия. В этих типах усилителей необходимо применять весьма сильные магнитные поля, обеспечиваемые, в частности, с помощью мощного электромагнита с охлаждаемой обмоткой, выполненной из сверхпро­ водящего материала.

В последние годы большие успехи достигнуты в повышении стабиль­ ности частоты настройки радиоприемников. Так, например, отечест­ венная промышленность уже несколько лет тому назад выпустила радиоприемники с декадными синтезаторами, в том числе приемники на декаметровых волнах для магистральной связи типа «Арена». Син­ тезатор дает возможность получить 285 тыс. фиксированных настроек такого приемника в диапазоне 1,5—29,9999 МГц с интервалами в 100 Гц и стабильностью 10~8. Использование квантовых генераторов позволя­ ет на несколько порядков повысить стабильность частоты настройки приемника и довести ее до 10~12.

Как уже отмечалось, области применения радиоприемников все расширяются и расширяются. Если в первый период развития радио­ техники приемные устройства служили лишь для радиотелеграфной связи, то в наши дни они находят самые разнообразные применения. К их числу относятся: радиотелеграфная связь; прием неподвижных изображений и телевизионных программ; радиорелейная связь; радио­ локация; радионавигация; телеуправление; связь с космическими ко­ раблями; радиовещание, в частности ультракоротковолновое веща­ ние; телеметрия и т. д.

Велики успехи в расширении используемых диапазонов частот. Если на заре развития радиотехническая связь осуществлялась лишь на длинных и сверхдлинных волнах, то в наши дни наряду с длинными и сверхдлинными широко применяют средние, короткие и ультрако­ роткие волны. Происходит успешное освоение все более и более корот­ ких волн. За последние годы освоены метровые, дециметровые и санти­ метровые волны. Имеются существенные результаты также в освоении миллиметровых, децимиллиметровых и еще более коротких волн.

Темпы развития радиоприемной техники в СССР стремительно на­ растают. За последние 28 лет получены результаты, значительно пре­ вышающие те, которые были достигнуты за все предшествовавшие 50 лет. Успехи радиоприемной техники наряду с достижениями, полу­ ченными в других областях радиоэлектроники, ракетной техники, авто­ матики и телемеханики, математики, физики, химии, теплотехники, металлургии и многих других наук и областей техники, позволили осу­ ществить чрезвычайно обширную программу освоения космического

короткий срок сколько замечательных успехов достигнуто советской наукой в освоении космического пространства. Космические полеты наших летчиков-космонавтов, космические ракеты для исследования

549