графики, приведенные на рис. 4.1, рассчитаны по формуле без учета потерь в фидере

(4.5)

Наличие фидера намного ухудшает чувствительность приемной системы особенно с малои1умяшими входными усилителями, охлаждаемыми до низких темпера-

и 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1,2 Ju

Рис. 4.1. Зависимость эффективного коэффициента шума приемной системы с различными входными устройствами от относительной шумовой температуры антенны (при Т1ф = 1).

тур. Произведем оценку влияния на чувствительность приемной системы антенного фидера, включенного между антенной и приемником, с учетом температурной зависимости его сопротивления потерь.

Если в фидере имеется N типов колебаний, распространяющихся с одинаковым затуханием (1-Т1ф), то в соответствии с [11] спектральная плотность теплового излучения фидера

кт[ )

= А/(1-1,ф)Р(7-ф).

(4.6)

С учетом температурной зависимости активного сопротивления потерь фидера при Л=1 и hf < кТф это выражение примет вид

РФи-щ{Тф)]кТф, (4.7)

щ (7ф) = ехр 2/р(7ф)]ехр

/й(7ф)

/ - длина фидера, ж; Р - погонное затухание фидера, неп/м; (Тф) - погонное активное сопротивление потерь фидера, зависящее от его температуры 7ф, ом/м;

р - волновое сопротивление фидера, ом. После приведения мощности шума фидера с его выхода Рфвых к антенне получим

Рф - ь.х кТфАЦ! - - ;ф)

(4.8)

Мощность шума приемника, также приведенная ко входу фидера Рпр, связана с коэффициентом шума приемника Рпр и с его эффективным коэффициентом шума Рзпр следующим соотношением:

р, кТфЦР пр кТфМ (f пр - 1)

(4.9)

Подставляя (4.8) и (4.9) в (4.3) и учитывая, что потери фидера 1=1/т1ф, получаем формулу для расчета эффективного коэффициента шума приемной системы

ф) +Гэ пр I Гпр -1Ф

(4.10)

Данное выражение дает возможность определить предельную чувствительность всей приемной системы по ее входу, т. е. у антенны- Мощность сигнала, соответствующую этой чувствительности, можно найти по формуле

где Fg - эффективный коэффициент шума приемной системы в относительных единицах, учитывающий температуру фидера; Af-полоса пропускания приемника, гц.

Таким образом, при пользовании формулой (4.10) для инженерных расчетов радиолинии не нужно дополнительно учитывать к. п. д. приемного фидера. Сравнение чувствительности приемников с фидерами, имеющими различные потери, может быть легко выполнено но приведенным формулам. Увеличение активных потерь в фидере ухудшает чувствительность приемной системы не только за счет внесения дополнительного ослабления между антенной и приемником, но и вследствие появления тепловых шумов, создаваемых этими активными потерями и зависящих от температуры, при которой работает данный фидер.

Для создания сверхвысокочувствительных приемных систем необходимо найти такие методы конструирования их фидерных и ферритовых устройств, фильтров, входного усилителя и последующих каскадов, при которых суммарные шумы этих элементов много меньше шумов самой антенны.

Если в качестве идеальной приемной системы принять систему, предельная чувствительность которой определяется только шумами антенны, имеющей диаметр раскрыва Do, то ухудшение чувствительности такой системы П нри увеличении температуры шума приемного тракта Тпр но сравнению с шумовой температурой Г можно определить по формуле

n=101g(l +

(4.11)

Эта зависимость изображена на рис. 4.2. На этом рисунке показано, во сколько раз надо увеличить диаметр антенны D при росте отношения Тщ/Тц для сохранения того же отношения сигнал/шум. Из рис. 4.2 следует,

ЧТО наиболее целесообразно создавать системы, ил1ею-щие величину Тпр, в 2-5 раз меньшую, чем антенны. Напомним, что увеличение габаритов антенны даже на 20-50% в станциях сверхдальней связи на СВЧ сопряжено с большими техническими трудностями и эксплуатационными неудобствами. При создании аппаратуры широкого применения последнее обстоятельство особен-

А Л7

Рис. 4.2. Зависимость относительной чувствительности приемной системы от соотношения Тп р/Т по сравнению с идеальной системой, у которой ГпрГа и Ьо -диаметр раскрыва аитеииы.

НО важно. Если учесть, что уже сейчас в диапазоне 1 - 10 Ггц созданы малошумящие антенны с температурой шума Га порядка 20° К и меньше, а обычные антенны подвижных станции имеют Га = 50-100° К, то, следовательно, в этом же диапазоне частот приемные устройства с малошумящими антеннами могут иметь температуру шума меньше 10° К, а системы подвижных станций - порядка 30-50° К. При этом на радиолиниях появится энергетический запас, столь необходимый для их высококачественной работы.

Наряду с такой высокой чувствительность наземные приемные системы должны иметь также высокую селективность входных трактов нри заданной ширине полосы, необходимую стабильность и отвечать основным требованиям к СВЧ аппаратуре.

Для оценки современных СВЧ приемных систем с малошумящими усилителями обратимся к известной 13-2175 - 193 -

схеме прохождения сигнала в таких системах. Принимаемый в обычных условиях сигнал попадает от облучателя-антенны через соединительную линию и вращаю-щнесл соединения-На входной ферритовый вентиль, который предназначен для устранения шумов нелинейных переходов (переходных помех) при многоканальной работе; затем через соединительные линии сигнал приходит на входной полосовой фильтр, обеспечивающий избирательность приемника, или на блок частотной развязки и далее через ферритовый циркулятор поступает на вход малошумящего усилителя. К выходу этого усилителя подключается, по сути дела, обычный СВЧ приемник с ЛБВ или смесителем на входе и со всеми элементами селекции и развязки. Такая система вместе с выигрышем по чувствительности за счет установки малошумящих усилителей приобретает все отрицательные качества этих усилителей в дополнение к своим недостаткам.

К последним можно отнести:

- большие шумы входных цепей на участке от облучателя до малошумящего усилителя, обусловлепиые обилием элементов и соединительных линий в этом тракте, особенно в приемной системе, обеспечивающей работу нескольких стволов на одну антенну или в случае обеспечения одновременной работы передатчика и приемника на одну антенну;

- значительные шумы нелинейных переходов в СВЧ трактах вследствие их большой электрической длины и наличия множества неодноролностей. Это заставляет устанавливать на входе приемника ферритовые вентили н применять сложные устройства последовательной селекции, шумы которых также ухудшают чувствительность всей приемной системы;

- большие шумы каскадов, следующих за мало-шумящим усилителем, которые уменьшают выигрыш в чувствительности от его применения при работе усилителя в режиме, далеком от порога генерации *;

- зависимость характеристик всех СВЧ узлов и устройств с ферритовыми элементами, многорезонатор-

* В приемных устройствах стационарного типа, где большое применение получили КУ бегущей волны с усилением более 30 дб, эти шумы весьма малы

ных фильтров, устройств на полупроводниковых приборах от температуры окружающей среды, влажности и пр.;

- чрезвычайно большие габариты всей системы, затрудняющие ее установку вблизи антенны;

- наличие для каждого диапазона волн и отдельных станций разнотипных конструкций приемников, что делает практически невозможным унификацию СВЧ приемной аппаратуры и создание приемника, пригодного для обеспечения высококачественной работы в различных условиях.

Таким образом, попытки создать новые приемные системы только за счет использования достижений техники параметрического усиления или квантовой радиофизики при обычных методах разработки приемных систем практически не дают желаемых результатов. Необходимы поиски принципиально новых путей, которые позволили бы исключить недостатки существующих СВЧ устройств н сохранить их достоинства, давая возможность получить недостижимые прежде параметры. Такие пти открывает радиотехника низких температур.

2. ШУМЫ входных УСТРОЙСТВ, ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ УСИЛИТЕЛЮ. ОХЛАЖДАЕМЫЕ СВЧ ФИЛЬТРЫ

Как известно, самым чувствительным СВЧ прибором является квантовый усилитель, охлажденный до температур жидкого гелия. Нижний предел шумовой температуры такого усилителя равен нескольким градусам Кельвина, а при использовании гелиевого режима с откачкой - около 2° К.

При охлаждении параметрического усилителя до очень низких температур, когда Г-0°К, его шумовая температура Тш, как и у квантового усилителя, приближается к (f К-

Следовательно, основная проблема, которую необходимо решить при разработке селективных приемных систем с максимально достижимой чувствительностью, заключается в том, чтобы создать входные и выходные тракты системы, практически не ухудшающие чувствительность усилителей, имеющих столь малые шумы. Обычным путем эту задачу разрешить практически невозможно.