к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике
А  Б  В  Г  Д  Е  Ж  З  И  К  Л  М  Н  О  П  Р  С  Т  У  Ф  Х  Ц  Ч  Ш  Э  Ю  Я  

Радиоприемники СВЧ
Радиоприемники СВЧ - радиоприёмные устройства, предназначенные для работы в диапазоне радиоволн от 300 МГц до 3000 ГГц (в диапазоне СВЧ). Р. СВЧ подразделяются по рабочему диапазону - на Р. СВЧ дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн, а также по схеме построения - на Р. СВЧ прямого усиления, супергетеродинные (см. Супергетеродин)и детекторные (см. Детектирование ).Радиоприёмники могут быть охлаждаемыми и неохлаждаемыми. В большинстве случаев Р. СВЧ строят по супергетеродинной схеме, т. к. обычно эта схема обеспечивает наивысшую чувствительность и практически легче реализуется, чем схема прямого усиления. Детекторные Р. СВЧ получили применение гл. обр. в диапазоне дециметровых волн и построены на основе криогенно охлаждаемых болометров и полупроводниковых объёмных детекторов. В сантиметровом и миллиметровом диапазонах (до частоты f = 230 ГГц) в большинстве случаев используются неохлаждаемые Р. Более коротковолновые Р. СВЧ, причём часто охлаждаемые, применяют только в научных исследованиях.

В Р. СВЧ в качестве нелинейных активных элементов для генерирования, усиления и преобразования СВЧ-колебаний применяют полупроводниковые элементы, размеры к-рых до частот f = 150 ГГц значительно меньше длины волны l. Канализация СВЧ-колебаний в Р. СВЧ осуществляется разл. видами линий передачи. Для подключения к антенне или измерит. аппаратуре в диапазонах l < 2 мм наиб. часто используются микро-полосковая или несимметричная полосковая линия, щелевая, компланарная и волноводно-щелевая линии с переходами на прямоуг. металлич. волновод (рис. 1); на коротких миллиметровых волнах и в дециметровом диапазоне для канализации СВЧ-колебаний - одномо-довые и многомодовые (см. Мод")прямоуг. волноводы и квазиоптич. структуры (рис. 2, 3). Для Р. диапазонов l ! 2-0,5 мм наблюдается тенденция перехода от сосредоточенных приёмных элементов к распределённым, от волноводных элементов согласования потока излучения с приёмным элементом к оптическим. В этом диапазоне ограничения предельной чувствительности обусловлены гл. обр. не тепловыми флуктуациями, а квантовыми. Примерами сосредоточенных приёмных элементов, в к-рых используются волноводные элементы согласования, являются полупроводниковые усилители СВЧ на полевых транзисторах Шоттки (ПТШ) или параметрические усилители на полупроводниковых диодах, смесители на диодах Шоттки (см. Диоды твердотельные)или контактах сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник (СИС-смеситель). Детектор на InSb, а также полупроводниковые и сверхпроводниковые болометры представляют собой примеры распределённых (объёмных) приёмных элементов с использованием квазиоптич. методов согласования (см. Квазиоптика).

Рис. 1. Элементы конструкции линий передачи СВЧ с переходами на прямоугольный волновод: а, б - микрополосковая линия, b - щелевая, волноводно-щелевая линия; 1 - никропо-лосковая плата (диэлектрическая пластина с плёночными металлическими проводниками на обеих сторонах); 2 - прямоугольный волновод со ступенчатым переходом к П-волноводу; 3 - соединительная металлическая ленточка; 4 - диэлектрическая пластина с плёночными проводниками.

Рис. 2. Квазиоптическая структура для объединения пучков радиоволн гетеродина fr и сигнала fс на входе смесителя супергетеродинного радиоприёмника: 1 - поглотитель; 2 - пучок радиоволн частоты fr; 3 - делитель пучка в виде проволочной сетки; 4 - пучок радиоволн частоты fc; 5 - зеркала с полным отражением; 6 - объединённый пучок радиоволн fс и fr на выходе смесителя (размер d регулируется по максимуму прохождения пучков).

Рис. 3. Квазиоптическая структура для детекторного радиоприёмника с распределённым полупроводниковым приёмным элементом: 1 - световод; 2 - держатель: 3 - приёмный элемент; 4 - иммерсионная линза из диэлектрика с диэлектрической проницаемостью, такой же, как у приёмного элемента; 5 - проводники для подачи смещения на приёмный элемент и вывода напряжения детектируемого сигнала.

Рис. 4. Частотная зависимость минимальных шумовых параметров радиоприёмников и их малошумящих входных каскадов: 1 - неохлаждаемые смесители на диодах Шоттки; 2 - охлаждаемые до 20 К смесители на диодах Шоттки; 3 - сверхпроводниковые СИС-смесители, охлаждаемые до 2 К; 4 - смесители на InSb, охлаждаемые до 4 К; 5 - неохлаждаемые малошумящие усилители на полевых транзисторах Шоттки; 6 - усилители, охлаждаемые до 20 К; 7 - шумы атмосферы; 8 - квантовый шум.

Наиб. важные параметры Р. СВЧ - коэф. шума (шум-фактор) F (или эфф. шумовая темп-pa Тш)(рис. 4) и полоса рабочих частот Df (длин волн Dl). Шумовые параметры F и Тш связаны соотношением F = 1 + + Тш1Т0, где Т0 = 293 К. Входные малошумящие усилители (МШУ) Р. СВЧ созданы до частот f = 100 ГГц, однако практич. использование в технике в осн. получили только МШУ до f ! 40 ГГц, причём наиб. эффективными по совокупности характеристик являются МШУ на ПТШ, к-рые повсеместно вытесняют др. виды МШУ, в т. ч. в миллиметровом диапазоне радиоволн. Охлаждение МШУ на этих транзисторах приводит к существенному снижению величины Tш. Из разновидностей входных каскадов Р. СВЧ ближайший к МШУ на ПТШ по величине шумовых параметров смеситель на диодах Шоттки (СДШ), к-рый является самым распространённым малошумящим входным каскадом Р. СВЧ и наиб. продвинутым в КВ-часть радиодиапазона. В своих диапазонах частот СДШ, как и др. функциональные элементы и узлы Р., изготавливают методами микроэлектроники в виде гибридно-интегральных схем (ГИС) и монолитных интегральных схем. На частотах f > 150 ГГц применяют волноводные (рис. 5) и квази-оптич. конструкции СДШ (рис. 2).

Рис, 5. Смеситель на диодах Шоттки: 1 - рупорная антенна для ввода колебаний сигнала и гетеродина; 2 - конусный переход от круглого волновода к прямоугольному; 3 - кристалл диода Шоттки сотовой структуры; 4 - проволочный вывод сигнала fпч; 5 - фильтр низкой частоты из отрезков коаксиальной линии с высоким и низким волновым сопротивлением; 6 - подвижный настроечный короткозамыкающий поршень; 7 - прямоугольный волновод пониженной высоты; 8 - контактная пружинка к ячейке диода Шоттки; 9 - опорный штифт контактной пружинки.

Рис. 6. Конструкция микрополоскового гетеродина на диоде Ганна на f-50 ГГц: 1 - микрополосковая плата; 2 - диэлектрический резонатор в форме диска; 3 - винт подстройки рабочей частоты; 4 - диод Ганна; 5 - СВЧ блокировочный конденсатор; 6 - вывод для подачи постоянного напряжения питания.

Преобразование частоты осуществляется в смесителе при подведении к нему мощности гетеродина. Большинство гетеродинов, применяемых в СВЧ-диапазоне, создаются на основе полупроводниковых активных элементов - диодов и транзисторов. Для создания гетеродинов на частотах f10 ГГц используют в осн. 2 вида диодов - Ганна диоды (ДГ) и диоды Шоттки, а также ПТШ. На основе ДГ создают автогенераторы (см. Генератор электромагнитных колебаний), использующие отрицательное дифференциальное сопротивление, возникающее в ДГ. Гетеродины на диодах Ганна (ГДГ) также являются самым распространённым видом гетеродинного автогенератора в диапазоне 10-150 ГГц благодаря своей миниатюрности, экономичности и малым шумам. Они могут быть с фиксиров. настройкой (со стабилизацией частоты и без неё) и с механич. или электрич. перестройкой частоты, к-рая в последнем случае часто осуществляется с помощью нелинейной ёмкости, включаемой в колебательный контур (систему) генератора. Обычно в качестве такой ёмкости применяют полупроводниковый диод (напр., диод Шоттки). Для стабилизации частоты используют высокодобротный объёмный резонатор, чаще в виде диэлектрич. резонатора (рас. 6). Для создания гетеродинов на частотах f > 150 ГГц применяют умножение частоты на диодах Шоттки. Такие умножители частоты (удвоители, утроители) конструктивно сложны и содержат элементы СДШ. Транзисторные гетеродины на ПТШ в виде перестраиваемых или стабилизированных автогенераторов, подобных ГДГ, созданы и применяются в Р. в сантиметровом и миллиметровом диапазонах. По сравнению с ГДГ они более экономичны (выше кпд) и надёжны. Во всех случаях с укорочением длины волны l возрастают шум гетеродина и его влияние на величину F, а также трудности подавления зеркального канала приёма на частоте fз, расположенной симметрично частоте сигнала fс относительно частоты fг (|fс - fз| = 2fпч, где fпч - промежуточная частота). Поэтому в диапазоне миллиметровых и дециметровых волн применяют супергетеродинные радиоприёмники с двойным преобразованием частоты, в к-рых имеются 2 преобразователя частоты (смесителя с гетеродином) и 2 усилителя промежуточной частоты. В результате первого преобразования получают первую (высокую) промежуточную частоту, лежащую в диапазоне СВЧ (fпч = 1-10 ГГц), а после второго вторую (относительно низкую) промежуточную частоту (fпч = 30-200 МГц), обычно используемую в Р. СВЧ с однократным преобразованием частоты. Благодаря высокой fпч увеличивается разнос частот |fс - fз| и облегчается задача повышения селективности Р, СВЧ по зеркальному каналу (в радиометрич. Р. СВЧ это не требуется). Одноврем. уменьшается и вклад шума гетеродина в общий уровень шума на выходе первого смесителя. Это обусловлено тем, что уровень составляющих шумового спектра, сопровождающего несущее колебание гетеродина, уменьшается по мере удаления от несущей частоты (т. е. по мере увеличения fпч); следовательно, будут малы и шумовые составляющие спектра гетеродина, преобразованные на fпч1 в едином процессе преобразования сигнала.

Детекторные Р. СВЧ строятся на основе сосредоточенных детекторов на ДБШ и распределённых болометров. Таковыми являются электронные болометры на разогреве электронов в полупроводнике n - InSb и сверхпроводниковых плёнках, а также обычные болометры на разогреве материала болометра (напр., полупроводника Ge и сверхпроводниковых плёнок). Осн. характеристики детекторных Р.: предельная чувствительность Рпр (для возможности сравнения разл. детекторных Р. эта величина приводится к приёмной площадке S = 1 см2 и полосе усилителя детектируемого сигнала DF = 1 Гц); предельная частота модуляции принимаемого сигнала Fпр, при к-рой амплитуда детектируемого сигнала уменьшается в е раз (в болометрах связана со скоростью отвода тепловой энергии от электронов в электронных болометрах или от всего приёмного элемента в обычных болометрах); рабочая температура Тр; рабочий диапазон длин волн (табл.).

Тип приёмного элемента

	Рпр, ВТ

	Fпр, ГЦ

	Tр, К

	Рабочий диапазон длин волн

Сверхпроводниковый плёночный металлич. болометр

	3·10-15

	1

	1,4

	мм, дм

	
Германиевый болометр Лоу

	10-12

	102

	1,5

	мм, дм

	
Электронный болометр

	10-12 -10-10

	106

	4,2

	Рпр падает при

0, 5 мм

Электронный болометр на сверхпроводниковых плёнках

	10-11

	109

	2,0

	мм, дм

	
Детектор на ДБШ

	Рпр=10-12 - 10-10

(сосредоточенный в волноводе)

	293

	Рпр падает на 2 порядка в диапазоне=1 см- 0,7 мм

	
Области применения Р. СВЧ: радиолокация, радионавигация, радиоастрономия, радиоспектроскопия и др. радиофиз. исследования, радиосвязь (радиорелейная, космич., спутниковая), спутниковое радио- и телевещание, радиометрия.

Литература по 

1. Выставкин А. H., Мигулин В. В., Прием-ники миллиметровых и субмиллиметровых волн, "Радиотехника и электроника", 1967, т. 12, М 11, с. 1989; Арчер Дж. У., Малошумящие гетеродинные приемники ближнего миллиметрового диапазона для радиоастрономических наблюдений, "ТИИЭР", 1985, т. 73, № 1, с. 119; Тведротельные устройства СВЧ в технике связи, М., 1988; Клич С. М., Радиоприемные устройства миллиметрового диапазона волн, в кн.: Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника, т. 39, М., 1989; Выставкин А. Н., Кошелец В. П., О всянников Г. А., Сверхпроводниковые приемные устройства миллиметровых волн, М., 1989; Гершензон E. М. и др., О предельных характеристиках быстродействующих сверхпроводниковых болометров, "ШТФ", 1989, № 2, с. 111. A. H. Выставкин. 

к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ