Вопрос №1. В диапазоне СВЧ (в «длинноволновой части» миллиметрового диапазона) для усиления слабых сигналов используются специальные малошумящие усилители

МАЛОШУМЯЩИЕ УСИЛИТЕЛИ

ЛЕКЦИЯ №20

В диапазоне СВЧ (в «длинноволновой части» миллиметрового диапазона) для усиления слабых сигналов используются специальные малошумящие усилители. Такие усилители требуются для создания высокочувствительных радиоприемников. Это объясняется тем, что в СВЧ-приемниках внешние помехи, включая флуктуационные шумы, малы и чувствительность приемника определяется своими внутренними шумами. Например, в приемниках РЛС отраженные от целей (самолета, ракеты и т.д.) сигналы имеют мощность на входе 10^-14 Вт и менее. При таких слабых сигналах собственные шумы приемника становятся соизмеримы с величиной полезного сигнала, могут превысить уровень сигнала и нормальная работа приемника нарушится.

Усилители на лампах бегущей волны

Сверхвысокими частотами (СВЧ) принято называть диапазон частот от 30 МГц до 3000 ГГц, что соответствует длинам волн от 10 метров до 0,1 миллиметра. К диапазону СВЧ относятся следующие волны:

– метровые (30 ¸ 300 МГц);

– дециметровые (0,3 ¸ 3 ГГц);

– сантиметровые (3 ¸ 30 ГГц);

– миллиметровые (30 ¸ 300 ГГц);

– микрометровые (300 ¸ 3000 ГГц).

В диапазоне СВЧ используются радиоприемники самого различного назначения: телевизионные, радиолокационные, радионавигационные, для космических и магистральных линий связи и т.д. Несмотря на определенные различия, эти приемники имеют много общего, присущего всем приемникам СВЧ.

Радиоприемники СВЧ характеризуются высокой чувствительностью и должны обеспечивать прием очень слабых сигналов (мощность менее 10^-14Вт). Поэтому создание малошумящих усилителей (МШУ) было вызвано необходимостью приема очень таких сигналов в радиолокации, радиоастрономии и космической радиосвязи.

Использование ранее изученных усилителей в диапазоне СВЧ становится практически невозможным потому, что обычные усилительные элементы резко теряют свои усилительные свойства и возрастает уровень собственных шумов.

Основным видом помех в диапазоне СВЧ являются внутренние флуктуационные шумы антенн, фидерных устройств и собственно приемника.

Шумы антенны в основном состоят из шумов внешних источников: тепловых шумов Земли, атмосферных шумов, шумового излучения Солнца, Луны, планет, радиозвезд, Галактики (космических шумов), индустриальных шумов. Кроме того, атмосфера Земли обладает частотной избирательностью, поэтому радиоволны одних частот проходят через нее без потерь, а другие – значительно ослабляются. Так, на частотах выше 10 ГГц соотношение сигнал/шум на входе приемника ухудшается за счет теплового излучения Земли и затухания сигнала при его прохождении через Атмосферу.

Таким образом, в диапазоне частот от 1 до 10 ГГц шумовое излучение из космоса незначительно и атмосфера Земли «прозрачна» для радиоволн. Поэтому, с точки зрения условий распространения радиоволн, этот диапазон очень удобен (например, для космической связи). Точные границы такого частотного «окна» зависят от многих факторов (например, от состояния ионосферы) и могут изменяться.

Учитывая, что коэффициенты шума радиоприемника определяются в основном шумами первых каскадов, то для снижения коэффициента и повышения чувствительности приемника важнейшее значение имеет правильный выбор типа МШУ для первых каскадов радиоприемников.

Широкое применение находят следующие типы МШУ:

– усилители на лампах бегущей волны (ЛБВ);

– усилители на туннельных диодах;

– параметрические усилители, а также квантовые усилители.

Основные характеристики некоторых типов МШУ приведены в таблице 20.1.

Таблица 20.1.

Тип устройства	Основные характеристики МШУ
дециметровый диапазон 0,3÷3 ГГц	сантиметровый диапазон 3÷30 ГГц
коэфф-т усиления, дБ	полоса пропуск-я, % от несущей	коэфф-т шума, дБ	коэф-т усиления, дБ	полоса пропускания, % от несущей	коэфф-т шума, дБ
Квантовый усилитель			0,2			0,2
Усилитель на ТД		2–3	4–6		1–1,5	7–9
Усилитель на ЛБВ	15–20	20–25	4–5			6–7

Из таблицы 20.1 видно, что максимальную чувствительность радиоприемника удается реализовать при применении квантовых усилителей.

В квантовых усилителях усиление поля принимаемого сигнала происходит вследствие использования внутримолекулярной энергии вещества. Такие усилители являются малошумящими, но имеют сложную конструкцию. В настоящее время они применяются в основном в системах сверхдальней космической связи и в радиоастрономии.

Параметрические усилители имеют несколько больший уровень шумов. Их принцип действия основан на преобразовании энергии колебаний местного усилителя (усилителя «накачки») в энергию усиливаемого сигнала. Преобразование осуществляется с помощью нелинейных реактивных элементов, в качестве которых чаще всего используются варакторы.

Регенеративными являются усилители, как правило, на туннельных диодах (ТД), в которых отрицательное сопротивление обусловлено особенностью вольт-амперной характеристики диодов в зоне туннельного эффекта. При туннельном эффекте скорость электронов близка к скорости света, поэтому ТД оказывается, по существу, безынерционным прибором и частотные ограничения, имеемые в других полупроводниковых приборах, в нем отпадают. Практически частотный предел ТД определяется лишь их конструкциями, параметрами (емкостью р-n перехода; сопротивлением потерь в полупроводниках; индуктивностью выводов).

Большинство МШУ (параметрические усилители, усилители на ТД, квантомеханические услители) работают по принципу регенеративного усиления и (реже) как усилители бегущей волны.

Усилители на лампе бегущей волны (ЛБВ)

ЛБВ используется для усиления сигналов, в основном, в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн. Существенной особенностью усилителей на ЛБВ является их широкополосность.

В ЛБВ усиление обеспечивается за счет преобразования энергии постоянного тока в энергию высокочастотного электрического поля. Принцип действия усилителя на ЛБВ основан на использовании взаимодействия движущихся электронов с полем бегущей волны.

ЛБВ – это электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) с магнитной фокусировкой. Типовая ЛБВ представляет собой вакуумный баллон удлиненной формы, который расположен в фокусирующем магнитном поле. Поле создается или набором постоянных магнитов, или специальным электромагнитом (соленоидом). Схематически устройство ЛБВ показано на рисунке 20.1.

вход выход

2

Рис.20.1. Устройство лампы бегущей волны

Внутри баллона размещены:

1. Электронная пушка, формирующая узкий пучок электронов.

2. Замедляющая система, обеспечивающая определенную фазовую скорость распространения электромагнитной волны. Замедляющая система, как правило, выполняется в виде спирали (могут быть и другие конструкции – гребенка, встречные штыри и т.д.).

3. Входной и выходной элементы связи, обеспечивающие согласование волновых сопротивлений замедляющей системы с соответствующими фидерными трактами.

В широкой части трубки расположена электронная пушка 1, состоящая из катода и анода с направляющим цилиндром, а в узкой части трубки находится металлическая спираль 2 и коллектор 3, служащий для приема электронов.

Сигнал высокой частоты подводится и снимается через входной и выходной фидеры. Получение в трубке узкого электронного луча, направленного по оси трубки, обеспечивается фокусирующими магнитами, которые создают продольное магнитное поле.

С точки зрения физического обоснования процесс состоит в следующем: будет считаться, что изначально по металлической проволоке распространяется ток высокой частоты в виде бегущей волны. Вокруг проволоки образуется электромагнитное поле, скорость движения которого вдоль проволоки близка к скорости света. Если свернуть проволоку в спираль, то распространение электромагнитной волны, очевидно, будет сложное:

1) волна распространяется вдоль витков проволоки по ее фактической длине;

2) передний фронт волны распространяется вдоль оси спирали.

Очевидно, что скорость распространения фронта волны будет значительно меньше скорости света. Чем больше длина витка спирали и чем ближе витки друг к другу (малый шаг намотки), тем меньше скорость распространения фронта вдоль оси спирали. Считается, что скорость распространения фронта волны V во столько раз меньше скорости света (С), во сколько раз длина витка больше шага намотки К. При этом в ЛБВ созданы такие условия, чтобы скорость движения электронов почти совпала со скоростью распространения фронта электромагнитной волны по оси спирали.

Учитывая, что скорости движения поля и электронов совпадают, следует считать, что электромагнитное поле относительно электронного потока является неподвижным. При этом воздействие поля на каждый электрон остается неизменным на протяжении всей длины спирали.

Мгновенная картина электрического поля (на какой-то момент времени) выглядит следующим образом. Электрические силовые линии около каждого участка спирали образуют электрическое поле, фаза которого изменяется вдоль оси спирали. Изменение модуля и фазы вектора электрического поля Е в разных точках спирали показано на рисунке 20.2.

Следует условится, что положительная полуволна электрического поля оказывает ускоряющее действие на электронный поток и, наоборот, при отрицательной полуволне электронный поток тормозится. Электрон в точке А (рис.20.2) подвергается ускоряющему действию, которое сохранится при перемещении электрона и поля бегущей волны. Электрон в точке В будет тормозиться, а на электрон в точке Б поле не воздействует. В результате, электроны, получающие замедление и ускорение будут приближаться друг к другу и группироваться в отдельные пакеты, а электронный луч окажется модулированный по плотности. Вокруг электронного луча будет создаваться электромагнитное поле, которое накладывается на первичное поле бегущей волны и вызывает увеличение амплитуды волны вдоль спирали. В результате такого взаимодействия амплитуда волны на выходе спирали во много раз больше, чем амплитуда волны на входе, и следовательно, имеет место усиление высокочастотных колебаний.

Витки спирали

А Б В Ось спирали

Е

А Б В t

Рис.20.2. Мгновенная картина электрического поля в ЛБВ

Основные параметры ЛБВ

1. Коэффициент усиления по мощности зависит от длины спирали, мощности электронного пучка, волнового сопротивления в замедляющей системе, от качества фокусировки и степени согласования на входе и выходе (для современных ЛБВ порядка 20¸40 дБ – величина указывается в справочных данных). Следует отметить, что с увеличением мощности входного сигнала выходная мощность ЛБВ сначала растет до определенного предела, а затем начинает падать.

Это явление вызывается ухудшением условий взаимодействия электронного луча с бегущей волной на основной частоте за счет возрастания уровня высших гармоник в электронном потоке при больших мощностях сигнала на входе. Другими словами, нелинейные эффекты в ЛБВ возникают ввиду проявления процесса разгруппирования пучков в электронном луче при взаимодействии поля более мощных сигналов.

Линейный участок характеристики усилителя распространяется до входных мощностей порядка 10^-5÷10^-6 Вт.

Уменьшение усиления ЛБВ при больших сигналах может быть использовано для защиты приемника от перегрузок.

2. Коэффициент шума (для современных ЛБВ порядка 4¸5 дБ). Основные источники шума: дробовый эффект, эффект перераспределения электронов между пучком и положительно заряженными электродами, тепловые шумы.

Достоинства ЛБВ:

1. Усилители на ЛБВ имеют большой динамический диапазон (80¸100 дБ и более).

2. Сравнительно длинный срок службы (5¸10 тыс. часов).

3. Широкий температурный диапазон.

Недостатки ЛБВ:

1. Большие габариты и масса.

2. Большая величина потребляемой мощности (100¸150 Вт).

3. Необходимость охлаждения усилителя.

ЛБВ применяются, в основном, в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн, особенно в случаях, когда требуется обеспечить усиление в широкой полосе частот. Широкополосность ЛБВ достигает 30% от средней величины усиливаемой частоты.

Выводы по 1-му вопросу:

1. Усилители на ЛБВ могут обеспечить достаточно большую выходную мощность.

2. Усилители на ЛБВ используются в комплексах космической связи «Ливень» и «Кристалл».