Радиоприемники СВЧ. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Радиоприемники СВЧ - радиоприёмные устройства, предназначенные для работы в диапазоне радиоволн от 300 МГц до 3000 ГГц (в диапазоне СВЧ). Радиоприемники СВЧ подразделяются по рабочему диапазону - на радиоприемники СВЧ дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн, а также по схеме построения - на радиоприемники СВЧ прямого усиления, супергетеродинные (см. Супергетеродин)и детекторные (см. Детектирование ). Радиоприёмники могут быть охлаждаемыми и неохлаждаемыми.

В большинстве случаев радиоприемники СВЧ строят по супергетеродинной схеме, т. к. обычно эта схема обеспечивает наивысшую чувствительность и практически легче реализуется, чем схема прямого усиления. Детекторные радиоприемники СВЧ получили применение главным образом 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 радиоприемники. Более коротковолновые радиоприемники СВЧ, причём часто охлаждаемые, применяют только в научных исследованиях.

В радиоприемниках 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 радиоприемниках 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 радиодиапазонов 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 главным образом 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 f_r и сигнала f_с на входе смесителя супергетеродинного радиоприёмника: 1 - поглотитель; 2 - пучок радиоволн частоты f_r; 3 - делитель пучка в виде проволочной сетки; 4 - пучок радиоволн частоты f_c; 5 - зеркала с полным отражением; 6 - объединённый пучок радиоволн f_с и f_r 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.

Наиболее важные параметры радиоприемников СВЧ - коэффициент шума (шум-фактор) F (или эфф. шумовая темп-pa Т_ш)(рис. 4) и полоса рабочих частот Df(длин волн Dl). Шумовые параметры F и Т_ш связаны соотношением F = 1 + + Т_ш1Т₀, где Т₀ = 293 К. Входные малошумящие усилители (МШУ) радиоприемника СВЧ созданы до частот f = 100 ГГц, однако практич. использование в технике в осноаном получили только МШУ до f ! 40 ГГц, причём наиб. эффективными по совокупности характеристик являются МШУ на ПТШ, к-рые повсеместно вытесняют другие виды МШУ, в т. ч. в миллиметровом диапазоне радиоволн. Охлаждение МШУ на этих транзисторах приводит к существенному снижению величины T_ш. Из разновидностей входных каскадов радиоприемников СВЧ ближайший к МШУ на ПТШ по величине шумовых параметров смеситель на диодах Шоттки (СДШ), к-рый является самым распространённым малошумящим входным каскадом радиоприемников СВЧ и наиболее продвинутым в КВ-часть радиодиапазона. В своих диапазонах частот СДШ, как и другие функциональные элементы и узлы радиоприемника, 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 f_пч; 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 f

10 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 (например, 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 радиоприемниках 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 f_з, расположенной симметрично частоте сигнала f_с относительно частоты f_г (|f_с - f_з| = 2f_пч, где f_пч - 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 (f_пч = 1-10 ГГц), а после второго вторую (относительно низкую) промежуточную частоту (f_пч = 30-200 МГц), обычно используемую в радиоприемниках СВЧ с однократным преобразованием частоты. Благодаря высокой f_пч увеличивается разнос частот |f_с - f_з| и облегчается задача повышения селективности радиоприемников, СВЧ по зеркальному каналу (в радиометрических радиоприемниках 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 f_пч); следовательно, будут малы и шумовые составляющие спектра гетеродина, преобразованные на f_пч1в едином процессе преобразования сигнала.

Детекторные радиоприемники 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 (например, полупроводника Ge и сверхпроводниковых плёнок). Основные характеристики детекторных радиоприемников: предельная чувствительность Р_пр (для возможности сравнения разл. детекторных радиоприемниках эта величина приводится к приёмной площадке S = 1 см² и полосе усилителя детектируемого сигнала DF = 1 Гц); предельная частота модуляции принимаемого сигнала F_пр, 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 Т_р; рабочий диапазон длин волн (табл.).

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

Тип приёмного элемента	Р_пр, ВТ	F_пр, ГЦ	T_р, 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	Р_пр падает при 0, 5 мм
Электронный болометр на сверхпроводниковых плёнках	10^-11	10⁹	2,0	мм, дм
Детектор на ДБШ	Р_пр=10^-12- 10^-10 (сосредоточенный в волноводе)		293	Рпр падает на 2 порядка в диапазоне=1 см- 0,7 мм

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

Радиоприемники СВЧ

Литература по радиоприемникам СВЧ