Физическая энциклопедия

РАДИОПРИЕМНИКИ СВЧ

-радиоприёмные устройства,предназначенные для работы в диапазонерадиоволнот 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 частотыf= 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 частотf= 150 ГГц значительно меньше длины волны l. Канализация СВЧ-колебаний в Р. СВЧ осуществляется разл. видамилиний передачи.Для подключения кантеннеили 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 наполевых транзисторахШоттки (ПТШ) илипараметрическиеусилители 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 гетеродинаf_rи сигналаf_сна входе смесителя супергетеродинного радиоприёмника:1- поглотитель;2- пучок радиоволн частотыf_r;3- делитель пучка в виде проволочной сетки;4- пучок радиоволн частотыf_c; 5- зеркала с полным отражением;6- объединённый пучок радиоволнf_сиf_rна выходе смесителя (размерdрегулируется 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-paТ_ш)(рис. 4) и полоса рабочих частот Df(длин волн Dl). Шумовые параметрыFиТ_шсвязаны соотношениемF =1 + +Т_ш1Т₀,гдеТ₀.= 293 К. Входные малошумящие усилители (МШУ) Р. СВЧ созданы до частотf= 100 ГГц, однако практич. использование в технике в осн. получили только МШУ доf! 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 величиныT_ш.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 методамимикроэлектроникив виде гибридно-интегральных схем (ГИС) и монолитныхинтегральных схем.На частотахf> 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 сигналаf_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 наf-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 частотыосуществляется 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 частотахf10 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),использующиеотрицательное 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 (состабилизацией частотыи 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 частотахf> 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 величинуF,а также трудности подавления зеркального канала приёма на частотеf_з, расположенной симметрично частоте сигналаf_сотносительно частотыf_г(|f_с-f_з| = 2f_пч, гдеf_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 Р. СВЧ с однократным преобразованием частоты. Благодаря высокойf_пчувеличивается разнос частот |f_с-f_з| 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, сопровождающегонесущее колебаниегетеродина, уменьшается по мере удаления от несущей частоты (т. е. по мере увеличенияf_пч); следовательно, будут малы и шумовые составляющие спектра гетеродина, преобразованные наf_пч1в 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 полупроводникеn- InSb и сверхпроводниковых плёнках, а также обычные болометры на разогреве материала болометра (напр., полупроводника Ge и сверхпроводниковых плёнок). Осн. характеристики детекторных Р.: предельная чувствительностьР_пр(для возможности сравнения разл. детекторных Р. эта величина приводится к приёмной площадкеS= 1 см²и полосе усилителя детектируемого сигнала DF= 1 Гц); предельная частота модуляции принимаемого сигналаF_пр,при к-рой амплитуда детектируемого сигнала уменьшается вераз (в болометрах связана со скоростью отвода тепловой энергии от электронов в электронных болометрах или от всего приёмного элемента в обычных болометрах); рабочая темп-раТ_р;рабочий диапазон длин волн (табл.).

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

Лит.: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.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1988.

• РАДИОМЕТР АКУСТИЧЕСКИЙ
• РАДИОПРИЁМНЫЕ УСТРОЙСТВА