При гелиевых температурах использование сверхпроводящего покрытия резонаторов фильтра и отрезков линий, находящихся в криостате вне сильного магнитного поля, может позволить довести к. п. д. почти до единицы даже при большом числе и миниатюрных размерах резонаторов входного фильтра или дуплексера в широком диапазоне частот. Однако при переходе металла резонатора в сверхпроводяпее состояние добротность Qo остается конечной. Так, резонатор из олова, имеющий В,д5

40 60 80 ЮО Af,Mzq

Рис. 4.5. Влияние охлаждения на частотные характеристики затухания многорезонаторного СВЧ фильтра (п=8).

на частоте 10 Ггц при 7=4,2° К собственную добротность Qq ;5-10, при охлаждении до 7= 1,9°К имеет обычно Qo~2-10 т- е. беспредельного возрастания Qo не происходит.

В отличие от входных фильтров, где охлаждение дает возможность использовать двойной механизм уменьшения мощности шумов за счет снижения температуры фильтра и за счет улучшения его к. п. д., обычные устройства на ферритах со структурой шпинели, получившие применение в ранних разработках 8, гл. 1], при охлаждении ухудшают шумовые свойства входного тракта. Прямые потери по мере понижения Т растут, величина развязки уменьшается. Во многом это вызвано расширением линии ферромагнитного резонанса у значительного числа ферритов при их глубоком охлажде-

НИИ. Поэтому при создании малошумящих ферритовых устройств стремятся сохранить неизменными физические параметры ферритов при заданном уровне охлаждения и обеспечить нормальное функционирование устройств в этих условиях (см. гл. 6).

Следует отметить, что в ферритах, являющихся двухуровневыми системами, так же как и в парамагнетике, при возникновении инверсии населенностей уровней возможны шумы спонтанного излучения, вероятность появления которых пропорциональна вероятности индуцированного поглощения. Действительно, в двухуровневой системе вероятность спонтанного излучения, т. е. вероятность спонтанного перехода на нижний уровень за время Л, равна

Amndt, (4.17)

где Атп - коэффициент спонтанного излучения.

В соответствии с формулой излучения Планка и частотным условием Бора имеем

(4.18)

где Pmn - коэффициент поглощения (по Эйнштейну); f - частота;

к - постоянная Планка;

с - скорость света. Таким образом, спонтанное излучение происходит с той же вероятностью, с которой происходило бы индуцированное излучение (или поглощение), если бы число падающих фотонов было равно числу типов колебаний в единичном объеме и единичном интервале частот- Для волновода, в котором распространяется бегущая волна, как показано Стрэндбергом, это число равно

frpS

(4.19)

где у,.р -групповая скорость;

5 - площадь поперечного сечения волновода с ферритом.

В ферритах, являющихся веществами с сильным обменным взаимодействием между электронами недо-

строенных Ы- нлн 4/-оболочек атомов нлн нонов, электронный энергетический спектр возбужденных состояний можно представить как спектр некоторого идеального газа квазичастиц - спиновых волн (или магнонов). Среднее число ферромагнонов й/. с энергией Sh определяется функцией распределения Бозе--Эйнштейна

(.47)-

(4.20)

Гф -температура спиновой системы феррита; Мо-магнитный момент образца при 7ф = 0°К; А - обменный интеграл; у -магнетомеханическсе отношение; Яо-магнитное поле в образце. Тогда с учетом (4.18) и (4.19) для единичной мощности шумов за счет спонтанных переходов с возбуждением спиновых волн в феррите, находящемся в волноводе под воздействием поля Яо, получим

hUiAmnS

(4.21)

где - квадрат матричного элемента перехода.

Отметим, что полученное выражение отличается от известных формул для шумов спонтанного излучения, возникающих в квантовых парамагнитных усилителях. Это объясняется тем, что в феррите мы имеем дело не со слабо взаимодействующими моментами (как в парамагнитных веществах), а со сложной системой сильно-взаимодействующих электронов.

Рассмотрим шумы, обусловленные потерями в феррите и имеющие тепловой характер. Если волновод с ферритом представить в виде согласованной линии с распределенными потерями, то можно рассчитать мощность шума, создаваемую ферритом.

Согласно теореме Каллена - Велтона [12], связывающей излучающие свойства вещества с его диссипатив-

ными свойствами, можно считать, что мощность шума волн, идущих в прямом и обратном направлениях, в ферритовом вентиле различна.

В общем случае мощность тепловых шумов в единичном интервале частот с учетом формулы Планка для теплового излучения при температуре Гф может быть выражена

Лт =-(4-22)

Тогда для мощности шума в прямом направлении (у входных зажи.мов усилителя) получим при hf < кТф

так как

/ Ф=*ад(1-Г1ф). Т1ф = ехр(-2р1),

(4.23)

где pL - затухание феррита по длине L;

т)ф -к. п. д. феррита в прямом направлении; Д/-полоса пропускания приемного устройства (шумовая).

Ввиду того, что в прямом направлении к. п. д. обычно близок к единице, шумовая температура Тшп много меньше температуры, при которой находится феррит.

ТшП=Тф{1 - Т]ф) < Тф.

(4.24)

Для волны распространяющейся в обратном направлении (от усилителя к антенне), имеем

Тш обр - Гф( 1-R),

(4.25)

где R - развязка ферритового устройства.

При развязке более 20 дб (i/?<0,01) Гшобр-Гф, т. е. шумы в обратном направлении практически определяются температурой, при которой находится ферритовое устройство. Расчеты, проведенные по данным формулам, показывают, что при глубоком охлаждении феррита, являющегося в обычных условиях равновесной спиновой системой, шумами спонтанного излучения можно пренебречь по сравнению с тепловыми. Однако при возбуждении спиновой системы внешним источником (например, в ферритовом входном нелинейном устройстве)

спонтанные шумы при определенных условиях могут оказаться супественными.

Таким образом, в обп(ем случае с учетом шумов всех элементов входного тракта (усилителя, фильтров, ферритовых устройств,фидера) и шумов антенны можно считать, что на приемник воздействует спектральная плотность излучения:

Р=Ц 1т,.9 (Г,)+(1 - ixp) (Гтр)+ (Тш) +

а: - 1

(4.26)

где 11тр = т1ф т]фу - к. п. д. входного тракта;

(Та), <(7т1)),(7щ)-спектральная мощность шума

антенны входного тракта (фильтров, фидера и ферритов) и усилителя соответственно. Обращаясь вновь к 5], для определения флюктуа-ционной чувствительности применим формулу Эйнштейна к (4.26). Получив среднеквадратическое значение флюктуации энергии в относительно узкой полосе частот Av за время усреднения т при Avt>1, находим выражение для мощности входного сигнала, соответствующей предельной чувствительности приемника когерентных сигналов:

(4.27)

и выражение для определения чувствительности к изменениям спектральной плотности шумового сигнала

В (4.27) и (4.28) 3 определяется из уравнения

= (Т,) + () 3= (Ттр) + (4.29)

Из приведенных выражений следует, что при отсутствии Шумов антенны и 7->0°К, когда ->0, предельная чувствительность обусловлена шумами, определяе-

- 206 -

мыми соотношением (4.13). В этом случае при некогерентном приеме возможно обнаружить один квант за время наблюдения. В реальных условиях, где неизбежно шумбвое излучение, вызывающее появление шумов антенны, предельная чувствительность приемника, у которого 70° К, определяется спектральной плотностью излучения фона антенны S{Ta)-

При работе приемника в режиме радиометра, если

w осуществляется прием N типов колебаний, со-

гласованных с антенно-фидерным трактом, чувствительность равна

Га sh(hl2kT)

87а =

(4.30)

Ввиду того что в приемниках для когерентного приема (например, в приемниках связи) с охлажденными входными усилителями и малошумящими антеннами предельная чувствительность во многом ограничена шумами устройств развязки, включенных перед приемником, кратко рассмотрим вопросы, возникающие при обеспечении одновременной работы на одну антенну.

Устройства для поочередной работы на одну антенну (антенные переключатели радиолокаторов) достаточно известны. Поэтому в данном разделе они не рассмотрены. Отметим только, что разрядники защиты приема при глубоком охлаждении могут иметь малый уровень шумов.

3. ВОПРОСЫ ОДНОВРЕМЕННОЙ РАБОТЫ НА ОДНУ АНТЕННУ

В современных условиях при большой насыщенности диапазона СВЧ различными радносредствами вопрос селективности входных трактов высокочувствительных приемных систем является одним из основных, так как он во многом определяет помехозащищенность всей радиолинии. Особенно это важно при создании любых станций сверхдальней связи, антенны которых должны одновременно использоваться для работы нескольких радиоустройств (передатчиков, приемников) без взаимных помех.