Ввиду того что смеситель является необходимым элементом любой приемной системы СВЧ, наиболее целесообразно в качестве последующего каскада иметь такой смеситель, уровень шума которого был бы примерно равен уровню шума обычного параметрического усилителя.

Это позволит использовать исключительно ценн?.1е свойства смесителей, отсутствующие у регенеративных устройств, а именно:

- широкую полосу пропускания при хорошем согласовании по входу и выходу;

- возможность получения заданной промежуточной частоты при малом уровне шумов;

- малые габариты и отсутствие генератора накачки. Выражение для эффективного коэффициента шума

Т,см смесителя может быть получено, если положить, что все шумы за счет диода смесителя могут быть учтены введением относительной шумовой температуры диода Уд при нешумящем генераторе сигнала. Тогда для Fa см без учета шумов УПЧ и гетеродина имеем

(4.37)

где А/-шумовая полоса пропускания приемника;

L - потери преобразования смесителя (в относительных единицах).

В идеальном смесителе, у которого Уд=0> Тэсм = 0. При обычных уровнях шумов, когда Уд>1 реальные потери преобразования L>1, значения коэффициента шума смесителя Fcm без учета УПЧ и эффективного коэффициента шума Fg см примерно равны.

Следовательно, эффективная шумовая температура смесителя без учета УПЧ, измеренная на его входе, будет

Тшсм = ТТд7 и при Тд -О 7шсм -0°К. (4.38)

Возможность создания такого устройства при использовании свойств полупроводниковых диодов вследствие их глубокого охлаждения рассмотрена в гл. 6. Как известно, обычным путем получить столь малый уровень шума от смесителей практически невозможно.

Следует отметить, что для успешной разработки конструкций охлажденных смесителей необходимо решить ряд задач, и в первую очередь по обеспечению:

- согласования охлажденного смесителя по входу и выходу, т. е. по промежуточной частоте;

- уменьшения уровня шума предварительных усилителей промежуточной частоты.

Последняя задача может быть решена, например, путем создания охлажденных транзисторных усилителей, совмещенных со смесителем в одном криостате-

Из других типов устройств, которые могут быть установлены после охлажденного входного усилителя, весьма перспективны особенно в диапазоне дециметровых волн охлажденные параметрические усилители-преобразователи, имеющие выход сигнала на вспомогательной частоте, например на разностной частоте /2=/н-fi-Включение ферритового вентиля в тракте вспомогательной частоты такого параметрического усилителя для развязки его выхода от входа смесителя и подавления шумов этого смесителя при больших значениях обратного затухания вентиля эквивалентно включению согласованной нагрузки с температурой Тф.

Действительно, наличие шумов, возникающих вследствие тепловых потерь в феррите и проходящих в вентиле в обратном направлении, т. е. от смесителя к ПУ, приводит к тому, что шумовая температура вентиля, измеренная на выходе вспомогательного контура ПУ, равна

7ф- То ( 1-Т-в) + Тщ смТв,

(4,39)

где 7в-развязка вентиля; Тш см - эффективная шумовая температура смесителя; Тв - температура, при которой находится вентиль. При развязке более 20 дб (Тв<0,01) ТфТ. В этом случае выражение для шумовой температуры усилителя-преобразователя примет вид

1 (Гу + РгГф)

Jm см (I - o)(l+P2) 4а Р2

Это выражение при указанных условиях и одновременном охлаждении усилителя с вентилем, когда Ту=7ф, совпадает с обычным выражением для Тш охлажденного 15* 227 -

ПУ. Таким образом, охлаждая вентиль, можно добиться уменьшения шума ПУ, что обычно происходит прп охлаждении его нагрузки в тракте вспомогательной частоты. При конструктивном объединении охлажденного параметрического усилителя с первым усилителем в одном криостате оба устройства для расширения полосы пропускания и увеличения устойчивости работы могут использоваться в режиме, удаленном от порога генерации (при малых а).

В широкополосных охлаждаемых приемных устройствах в качестве последующего каскада может быть применен охлажденный параметрический усилитель, работающий с использованием не только барьерной емкости Сб, но и диффузионной емкости Сдиф р-п перехода. К ценным качествам такого усилителя можно отнести большую величину произведения VКП, а также высокую устойчивость работы при уровне собственных шумов, приемлемом для второго каскада. Как было показано в гл. 3, охлаждение указанного усилителя до низких температур приводит к значительному увеличению крутизны изменения емкости диода от приложенного напряжения. Это позволяет увеличить коэффициент модуляции емкости диода при малых токах через переход, т. е- без существенного увеличения дробовых шумов. Чем ниже рабочая температура, тем лучше проявляется этот эффект [пропорциональный ехр (qu/kT)]. При этом конструкция последующего каскада становится достаточно простои, так как отпадает необходимость в подаче напряженпя смеитенпя па диод, а также иметь доиол-пптельпые резонаторы и нагрузку па разностной частоте.

В зависимости от диапазона рабочих частот и конкретных требований к конструкции в качестве последующего каскада может быть применен охлажденный усилитель на туннельном диоде.

При каскадном включении нескольких полностью развязанных охлажденных усилителей, работающих на проход (например, квантовых), их общая полоса пропускания по уровню 3 дб согласно [6, гл. 5] равна

1/2/ -1

(4.40)

где q-.

(4.41)

соУИ - сопротивление связи активного резонатора с линией;

L - индуктивность активного резонатора;

Б -ширина линии ЭПР (см. гл. 3). В полностью охлаждаемых приемных системах два каскадно включенных регенеративных устройства могут работать практически без ухудшения чувствительности вдали от порога генерации при коэффициентах регенерации усилителей a= 0,7, что улучшает их характеристики. Если, например, в обычных приемных системах, где от усилителя требуется усиление 20-30 дб, его стабильность в 2-4,6 раза хуже стабильности усилителя бегущей волны, то в охлажденной приемной системе эти усилители имеют практически одинаковую стабильность. Следовательно, при использовании резонаторного охлажденного усилителя в приемнике обеспечиваются все характеристики, необходимые для входного высококачественного усилителя. Это же относится и к следующему каскаду -охлаждаемому параметрическому усилителю.

Известно, что в обычных условиях основным недостатком всех СВЧ устройств, особенно ферритов, усилителей и смесителей на полупроиодпиковых диодах и др., является зависимость их параметров от температуры, затрудняющая их пшрокое применение в серийной аппаратуре. В охлаждаемых приемных системах этот недостаток устраняется. Кроме того, открываются новые возможности по увеличению надежности работы и сроков хранения аппаратуры.

Использование свойств твердого тела при низких температурах позволяет создать различные схемы и конструкции сверхчувствительных СВЧ приемников дециметровых и сантиметровых волн. Одна из таких схем с охлаждением до температур жидкого азота представлена на рис. 4.13 1[14]. Входной тракт в этой схеме является двухкаскадным. В первом каскаде исполь-

Вход

От геччраглооа накачки

От гетеродина Выход ПЧ

Рис. 4.13. Конструктивная схема входной части СВЧ приемника с охлаждаемыми усилителями: / - криостат; 2 - параметрический диод; 3 - ферритовый циркулятор; 4 - ферритовый вентиль; 5 - смеситель; 6, 7. S, 9 - фильтры.

зуется охлаждаемый отражательный параметрический усилитель с ферритовым циркулятором, а во втором - параметрический усилитель-преобразователь, имеющий на выходе разностную или суммарную частоту (в зависимости от конкретных условий). Поглощающая иа-

грузка в плече циркулятора одновременно служит для подачи смещения иа диод.

При необходимости входной усилитель может быть снят, что целесообразно в диапазоне дециметровых волн. В диапазоне сантиметровых волн второй усилитель может быть собран по отражательной схеме.

Одна из конструктивных схем приемника, охлаждаемого до гелиевых температур [14], приведена на рис. 4.14.

Облучатель антенны

От передатчика

Выход линейной части приемника

/У77

Вход (выход)

установки

,/\ замкнутого цикла

Рис. 4.14. Конструктивная схема сверхвысокочувстви-тельнои приемной системы СВЧ:

смситл -j * . -ферритовые нентилк; 4~ ltlTJ 5 - режекторпые фильтры дуплексера; 6 - дополчи-тельиые резонаторы; 7 - блок стабилизации; в-кпиосят V входные резонаторы; /О - ПУПЧ; -генератор СВЧ