Рассмотрим, как изменится Fg приемной системы с малошумящим усилителем, если все входные устройства вместе с усилителем охладить до низких температур.

В этом случае выражение для эффективного коэффициента шума приемной системы, состоящей из фи дера, входных элементов селекции (фильтров), входных ферритовых устройств и малошумящих усилителей (без учета шумов антенны и последующих каскадов), примет следующий вид:

Fg = -

1 - тф (1 - W [

(4.12)

где Т1ф -к. п. д. фидера и входных фильтров;

т]фУ - к. п. д. входных ферритовых устройств в направлении пропускания; С -коэффициент, характеризующий шумовые свойства входного усилителя. При этом мощность всех шумов должна быть пересчитана к облучателю антенны, т. е. на вход приемной системы.

Расчетная зависимость Рэ=<р(7) приведена на рис. 4.3, где кривая / соответствует наихудшему случаю, когда потери тракта от облучателя антенны до входа усилителя составляют 3 дб, а кривая 2 -тракту с потерями около 1 дб. Учет температурной зависимости потерь тракта приводит, как показано далее, к тому, что функция Га=ф(7) принимает вид, представленный кривой 3-

Из рассмотрения зависимостей, изображенных на рис. 4.3, следует:

1. Охлаждение входных устройств приемной системы с малошумящим усилителем целесообразно довести до таких температур Т, при которых отношение То/Т > 1. Например, охлаждение до температуры жидкого азота дает выигрыш в чувствительности приемной системы порядка 7 дб, а до температуры жидкого гелия - порядка 19 дб.

2. Наиболее целесообразно конструктивно объединить входные тракты с малошумящим усилителем в один функциональный малошумящий узел, находящийся в криостате и непосредственно подключаемый к облучг-

гелю антенны. Устранение вследствие этого соединительных линий и различных переходов также даст дополнительный выигрыш в чувствительности и улучшит электрические параметры системы.

3. Для дополнительного увеличения выигрыша в чувствительности приемных систем параметры входных

-* -в -tz

о W 80 1Z0 160 ZOO 20 180 3Z0 f Не I 2 г. К

Рис. 43. Зависимость приемной системы от температуры о.хлажде1П1я входного СВЧ тракта.

устройств (С, 1]ф, т]фу) должны не только оставаться неизмененными при глубоком охлаждении, но и заметно улучшаться.

Таким образом, при понижении температуры всего входного тракта вместе с усилителем, когда Г-ОЧ, уровень тепловых шумов падает до нуля, и чувствитель-нссть может быть очень высокой. В этом случае при пе-когерентном приеме интенсивности принимаемого сигнала путем подсчета числа квантов излучения информация о фазе теряется; в принципе, чувствительность такого приемника может доходить до одного кванта за время наблюдения. При когерентном приеме регулярных почти монохроматических сигналов, когда необходима информация об их фазе, чувствительность всегда

хуже. Остановимся на этих двух случаях приема при использовании высокочувствительных входных устройств (5]. В устройстве для когерентного приема, где амплитуда принимаемого сигнала усиливается и его фаза сохраняется, должно выполняться соотношение неопределенностей, связывающее неопределенность А/г в числе квантов излучения с неопределенностью Аф его фазы:

Д/г-Д<Р> 1/2.

(4.13)

Это соотношение в конечном счете определяет принципиально достижимый порог чувствительности при когерентном приеме. В случае установки усилителя с неравновесной спиновой системой на входе приемника спонтанное излучение активного вещества усилителя является источником шумов, спектральную плотность которых при типах колебаний можно представить в виде

(4.14)

где 2 и 1 - соответственно число частиц на верхнем и нижнем уровнях энергии, переходы между которыми соответствуют частоте сигнала f,.

Неопределенность (4.13) эквивалентна появлению некоторых добавочных шумов на входе любого линейного усилителя с коэффициентом усиления по мощности Ло. Предположив, что эти шумы являются гауссовыми, получим, что их минимальная спектральная плотность, как отмечалось в гл. 3, при = 1 равна

(4.15)

Рассмотрим более подробно шумы, создаваемые остальными элементами входного тракта (фильтрами, фидером, ферритовыми устройствами), которые включены до охлажденного входного усилителя и ухудшают его чувствительность.

В связных СВЧ приемниках входные фильтры являются одним из основных элементов системы, так как их частотно-избирательные свойства определяют помехозащищенность станции по входу. Особенно возрастает роль всех селективных устройств при создании сверх-

высокочувствительных приемных систем с охлажденными входными усилителями. Требования к избирательности входного тракта этих систем повышаются, так как необходимо исключить попадание мешающих сигналов на входной нелинейный элемент, особенно в приемниках, работающих на общую антенну с передатчиком. Это требует применения многорезонаторных входных СВЧ фильтров и приводит к усложнению устройств развязки (дуплексеров).

Ввиду того что шумы СВЧ фильтра носят тепловой характер, они зависят только от температуры окружающей среды и к. п. д. каждого резонатора. Их влияние на Гш при п - резонаторах может быть определено по формуле

где Qor и Qr-добротности ненагруженного (собственная) и нагруженного/ -го резонатора.

Добротность Qr зависит от величины связи резонаторов между собой и трактом и выбирается в соответствии с требованиями к частотной характеристике фильтра. Чем выше селективность и уже полоса пропускания фильтра, тем больше будут значения добротностей нагруженных резонаторов Qr и меньше к. п. д. Это и приводит к увеличению тепловых шумов, обусловленных фильтрами. Для ослабления влияния Qr на шумы фильтров обычно идут по пути увеличения собственной добротности Qo за счет увеличения внутреннего диаметра коаксиального резонатора, создания волноводных резонаторов, работающих на волне и т. д.

Однако даже при оптимальной конструкции резонаторов добротность Qo не может превысить значения, обусловленного конечной величиной активного сопротивления стенок резонатора. Поэтому при комнатной температуре не удается получить малый уровень шумов фильтров. Например, измеренная величина Гщ приемника дециметровых волн при установке на его входе че-тырехрезонаторного фильтра с четвертьволновой связью между резонаторами и максимально возможными габа-оитами резонаторов при полосе пропускания около 1%

увеличивается за счет фильтра на 80-100° К. Эти трудности значительно возрастают нри проектировании малошумящих фильтров в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн.

В гл. 3 указывалось, что при охлаждении резонаторов ниже температуры Дебая 9 имеется нринципиальная возможность повышения собственной добротности резонаторов за счет уменьшения удельного сопротивления металла внутренней поверхности резонаторов, обусловленного уменьшением рассеяния электронов на фононах. Тогда для Qo{T) при 7о/6>0,5 имеем

(е.хрг-е.хр(-z)]

Однако, как уже отмечалось, даже на постоянном токе у металлов, охлажденных до Г<6, все же сохраняется некоторое остаточное сопротивление , связанное с наличием дефектов структуры решетки и проявляющееся в зависимости от чистоты металла при различных уровнях охлаждения. На сверхвысоких частотах низкотемпературная зависимость активного сопротивления потерь R от Т приобретает более сложный характер. В значительной степени это вызвано протеканием СВЧ токов в узком слое (порядка 1-5 мк) вблизи внутренней поверхности резонатора, где решетка металла сильно деформирована.

Поэтому в зависимости от технологии изготовления резонаторов рассеяние электронов на статических дефектах металла может сказываться уже при неглубоком охлаждении, что приведет к неизменности сопротивления R при дальнейшем понижении температуры. Кроме того, при низких температурах особенно заметными становятся потери на контактах в резонаторе и элементах связи, а также потери, вызванные неровностями поверхности резонатора. Отсюда ясно, что необходима разработка специальной технологии для использования явления уменьшения удельного сопротивления с понижением Т, присущего чистым металлам, в резонаторных охлажденных устройствах. Только при этом зависимость приведенной собственной добротности резонаторов от Т может иметь вид, изображенный на рис. 4.4.

Соединение резонаторов для образования фильтров в зависимости от типа связи может оказывать различное влияние на зависимость потерь фильтра в полосе пропускания от температуры. Прежде всего это относится к фильтрам с непосредственной связью, наиболее перспективным для охлаждаемых устройств особенно в широком диапазоне частот. У фильтров этого типа весьма

Qo (2734) 12,5

7в 100

Рис. 4.4 Зависимость приведенной собственной добротности резонаторов, выполненных из различных металлов (/-серебро; 2 -медь; 5 -латунь; 4 - нержавеющая сталь) по специальной технологии, от Т. Точками обозначены результаты измерения при обычном покрытии.

существенную роль играют потери в элементах связи. Частотная зависимость затухания одного из таких фильтров, выполненного на восьми коаксиальных чег-вертьволновых резонаторах с индуктивными петлями связи между ними, при охлаждении от 7=300°К до /=77° К приведена на рис. 4.5. Отметим, чю к. п. д. фидера меняется примерно по такому же закону. Влияние изменения потерь фидера от Т на Fg приемной системы видно из рис. 4.3 (кривая 3).