Главная >  Радитехнология низких температур 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 [ 22 ] 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61

остальные параметры (в том числе уменьшить нетепловые шумы) за счет использования свойств твердого тела при низких температурах. В этом случае можно будет, уменьшив коэффициент С, получить дополнительный выигрыш в чувствительности.

Рассмотрим тепловые шумы в контуре усилителя, вызванные наличием сопротивлений R и R.. В диапазоне сверхвысоких частот в качестве колебательных контуров, как правило, применяются полые резонаторы. В таком контуре активные потери (сопротивление R ) распределены по всей поверхности резонатора, имеющего поверхностное сопротивление Rp, зависящее от температуры. Поэтому определение потерь в контуре производят с использованием величины собственной добротности резонатора Qo-

Как известно, добротностью объемного резонатора называют отношение максимального значения мощности колебаний Ркмакс или запасенной энергии в резонаторе Wa к средней мощности потерь или энергии за период:

W, W

где Япср и WnT - средняя мощность и энергия потерь за период.

Подставляя значения W3 и Wut, получаем

(3.26)

где р(Г) - активная составляющая поверхностного сопротивления; Я -напряженность магнитного поля в резонаторе; V - объем резонатора; (О - частота сигнала; II - магнитная проницаемость; р - эквивалентное волновое сопротивление; Ru{T) - эквивалентное сопротивление потерь. В малошумящих усилителях сопротивление состоит из двух частей, зависящих от температуры: сопро-

тивления потерь в стенках резонатора R и сопротИЁ-ления rs, обусловленного наличием активных потерь в самом активном элементе (параметрическохМ или тун-нельно.м диоде, феррите и пр.). Однако в реальных устройствах не удается обеспечить полное включение активного элемента в контур, поэтому и сопротивление потерь пересчитывается в контур через коэффициент включения N (см. гл. 2). Коэффициент .V представляет собой отношение электромагнитной энергии, запасенной в активном элементе, к электромагнитной энергии, запасенной в резонаторе:

A/ = V- (Nl), (3.27)

f 1фэ

где Фэ - напряженность электрического или магнитного поля в резонаторе в зависимости от типа активного элемента.

В этом случае собственную добротность резонатора можно определить из выражения

1 /?к /? , r./V \ , N

(3.28)

где QcT - добротность резонатора, определяемая потерями в его стенках (при отсутствии потерь в активном элементе); Qn - добротность резонатора, определяемая только потерями в активном элементе. Тогда добротность резонатора, нагруженного на входную и выходную нагрузки, находится из соотношения

Ry + RH + Rs+Rn 1 , 1 , лг , 1

(3.29)

где последние два члена зависят от температуры, 3 Qbhi и Qbh2 представляют собой внешние добротности.

Поэтому в выражении (3.25) для Гщ малошумящего усилителя члены, характеризующие тепловые шумы, будут



Они могут быть измерены методами, существующими в технике СВЧ.

Простейшим малошумящим СВЧ усилителем, не требующим для работы источника высокочастотного питания (накачки), является усилитель на туннельном диоде. Как известно, в связи с наличием постоянного тока /о через р-п переход в рабочей точке в этом приборе дробовые шумы весьма интенсивны. Полагая среднее квадратическое значение э. д. с. дробового шума равным

\\ = ikTAfR = 2eI,RAf, (3.31)

получим при /о 1 выражение для эффективной шумовой температуры усилителя при со<сопр-

(1+а)2/?2С2)7 + 0,02/ /?7о

(3.32)

где -суммарное сопротивление активных потерь в контуре и диоде; R-модуль отрицательного сопротивления в рабочей точке вольтамперной характеристики; С - емкость р-п перехода;

Г -температура окружающей среды, в которой находится усилитель.

Из анализа приведенного выражения следует:

- понижение температуры Т прежде всего приводит к уменьшению первого члена числителя;

- можно достичь существенного выигрыша за счет охлаждения лишь в том случае, если произведения \IoR\ и RC с понижением температуры будут уменьшаться;

- уменьшение сопротивления потерь Rs путем выбора материала с максимальной подвижностью носителей при заданном уровне охлаждения может вызвать уменьшение Тш-

Таким образом, можно утверждать, что в дополнение к известным методам улучшения вида вольтамперной характеристики и высокочастотных параметров

диода (например, за счет подбора концентрации п типа примесей) глубокое охлаждение открывает новые перспективы. Прежде всего это обусловлено возможностью практического применения таких ценных материалов, как антимонид индия, туннельные диоды из которого при Г=77°К могут иметь малую loR и значение постоянной RC менее 5-10~2 сек [53]. Для германия значение RC намного больше; оно примерно составляег 4,5-10-90,5-Ю-о сек [50, 51], а для арсенида галлия-около 2-10~ [52]. Усилители с диодами, имеющими малые значения постоянной RC, обладают высокими значениями предельной частоты /щ так как

(3.33)

где / s -эквивалентное сопротивление потерь диода.

Исследования вольтамперной характеристики туннельного диода при низких температурах показывают, что путем выбора материала охлажденного диода, при котором отрицательная крутизна характеристики и отношение тока в пике к току в долине увеличивается, значение \IoR\ может быть значительно уменьшено. Это приводит к тому, что уже при температуре жидкого азота усилитель на туннельном диоде из InSb может иметь Ги1~ 150-300° К и даже меньше. Отметим, что для создания охлажденных туннельных усилителей может оказаться плодотворным использование туннельных явлений в сверхпроводящих металлических пластинах с диэлектрической пленкой между ними.

Однако до настоящего времени трудно сказать, какими должны быть полупроводниковый материал и конструкция диода, чтобы за счет охлаждения получить оптимальные шумовые характеристики. В значительной мере это объясняется сложностью процессов, происходящих при изменении температуры диода и связанных с действием ряда факторов. Из этих факторов можно выделить температурную зависимость ширины запрещенной зоны, определяющей вероятность туннельного прохождения через барьер, температурные зависимости плотности и заселенности энергетических состояний с обеих сторон р-п перехода [51] и др.



При использовании обычных туннельных диодов, например, германиевых, предпазначенных для работы в интервале температур вблизи комнатной, после охлаждения коэффициент шума усилителя может улучшиться незначительно. В усилителях на германиевых диодах с концентрацией в р-области р 510* сж- это улучшение более заметно. Характерные экспериментальные зависимости Гш/7зоо°к от Т для усилителей на туннельных диодах из арсенида галлия и германия изобра-


300 Vk

Рис. 3.2. Зависимость шумов усилителей иа туннельных диодах из германия и арсенита галлия от охлаждения.

жены на рис. 3.2. Тенденция к снижению дробовых шумов туннельных диодов при понижении температуры отмечена в [65, 66].

Рассмотрим более подробно свойства малошумящих усилителей с различными активными элементами и высокочастотным питанием при их охлаждении до низких температур. При этом особое внимание уделим охлажденным параметрическим усилителям, сведения о разработке которых появились совсем недавно. Предварительно заметим, что для малошумящих усилителей (особенно для квантовых приборов) имеется понятие отрицательной добротности активного элемента Qm = = pV fl!. Тогда выражение для Q регенерированного контура примет вид

Q i

(3.34)

2. ОХЛАЖДАЕМЫЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДАХ

Как известно, параметрический усилитель (ПУ) со- держит в качестве активного элемента контура полупроводниковый диод, барьерная емкость р-п перехода которого изменяется с частотой накачки. В общем случае активный элемент - диод - входит не только в контур сигнала, но и связан со вспомогательным контуром, который при работе в регенеративном режиме настроен на разностную частоту

0J2=Wh-0)1,

где оь - частота накачки.

Такой усилитель получил название двухконтурного (невырожденного), первый контур у которого настроен на частоту соь а второй - на частоту озз- При совпадении частоты сигнала и разностной частоты coi = o)2, т. е. когда нет контура разностной частоты, схема работает при co = 2coi и представляет собой одноконтурный (вырожденный) параметрический усилитель.

Невырожденный усилитель может быть включен по схеме преобразователя частоты, когда нагрузка, с которой снимается выходная мощность, подключена к контуру вспомогательной частоты, а также по схеме на отражение , когда нагрузка в контуре разностной частоты служит для расширения полосы пропускания и в ряде случаев может отсутствовать.

Параметрические усилители на полупроводниковых диодах, работающие в обычном для радиоаппаратуры интервале температур, получили довольно широкое распространение благодаря целому ряду присущих нм положительных свойств. Однако дальнейшее развитие радиотехники, и в первую очередь техники передачи информации на сверхдальние расстояния, выдвигает новые требования к малошумящим входным устройствам, которым обычные ПУ без охлаждения уже не удовлетворяют. К этим требованиям можно отнести:

1) обеспечение низкого уровня собственных шумов (сравнимого с уровнем шума самых чувствительных приборов - квантовых усилителей) при сохранении возможности использования усилителей в аппаратуре широкого применения;



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 [ 22 ] 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61