Малошумящие усилители

Лекция

Основные технические параметры радиоприемника

Схема супергетеродинных радиоприемников

На РРЛ, ТРЛ и в ССС применяют супергетеродинные радиоприемники.

В супергетеродинном приемнике частоту принятого сигнала преобразуют в смесителе СМ в промежуточную. Основное усиление сигнала происходит в УПЧ-1 и УПЧ-2. Усиления по радиочастоте (до смесителя) на РРЛ, как правило, нет.

Так как сигнал на входе приемника достаточно слабый, то необходимо, чтобы были малы собственные шумы не только смесителя, но и первых каскадов УПЧ. Поэтому схема содержит предварительный малошумящий УПЧ2 и основной УПЧ3, охваченный АРУ. К выходу приемника по ПЧ подключен частотный демодулятор, состоящий из амплитудного ограничителя АО, частотного детектора ЧД и выходного усилителя ВУ. На выходе радиоприемника ТФ ствола получают МТС. В приемниках ТРЛ и спутниковых систем связи, где уровень входного сигнала много меньше, чем в приемниках РРЛ, перед смесителем устанавливают МШУ. Входная цепь радиоприемника ПФ предназначена для передачи полезного СВЧ сигнала от АФТ к МШУ или смесителю и подавления мешающих сигналов. Гетеродинный тракт приемника называют также гетеродином. Устройства, включенные между выходом АФТ и входом демодулятора, образуют линейную часть радиоприемника.

Коэффициент шума радиоприемника представляет собой отношение мощности шума, измеренной на выходе линейной части радиоприемника при температуре 293К, к мощности шума, которая была бы на этом выходе, если бы источник сигнала был единственным источником шума. Источником сигнала является приемная антенна. Вместе с сигналом во входную цепь приемника поступают собственные тепловые шумы антенны.

Упрощенно эквивалентную схему антенны можно представить в виде последовательного соединения сопротивления, излучения антенны RA, ЭДС сигнала и ЭДС шума.

Мощность теплового шума, поступающего от антенны на вход приемника,

, (6.1)

где Rвх - сопротивление входной цепи приемника. Эта мощность максимальна при Rвх =RА.

Формула Найквиста определяет средний квадрат ЭДС шума

, (6.2)

, (6.3)

, (6.4)

где k=1,37·10-23 ВТ/Гц·град - постоянная Больцмана;

Т- абсолютная температура цепи;

П- эффективная полоса частот, в пределах которой измеряют ЭДС шумов. Ее называют также шумовой полосой приемника.

При определении коэффициента шума принимают

Т=То=293 К,

где То - шумовая температура Земли.

Эффективная полоса в приемниках РРЛ практически совпадает с полосой частот, на границах которой коэффициент усиления мощности линейной части приемника уменьшается в 2 раза. В приемнике возникают собственные тепловые шумы во всех его электрических цепях и электронных приборах. В электрических цепях эти шумы создает, главным образом, тепловое движение электронов. Шумы транзисторов подразделяют на тепловые, дробовые и шумы токораспределения. Тепловые шумы возникают из-за тепловых флуктуаций зарядов в области базы, коллектора и эмиттера транзистора. Дробовые шумы вызваны дробовым эффектом, т.е. колебаниями числа носителей заряда в потоке. Шумы токораспределения вызваны случайным характером процесса рекомбинации носителей в области базы. Мощность теплового шума, измеренная на выходе линейной части реального приемника, может быть записана в виде:

, (6.5)

где kp - коэффициент усиления мощности приемника;

Р*ш.пр - мощность тепловых шумов, вносимых самим приемником на выходе линейной части.

B соответствии с определением коэффициента шума представим его в виде

, (6.6)

откуда получаем мощность собственных шумов приемника на его выходе:

. (6.7)

На практике принято пересчитывать собственные шумы приемника на его вход. При таком пересчете условно полагают, что отдельные каскады приемника сами не шумят, а только усиливают в kр раз мощность тепловых шумов, которую он развивает на своем входе. В результате мощность собственных тепловых шумов на входе приемника:

; (6.8)

. (6.9)

Мощность шумов на входе приемника с учетом шумов, поступающих от антенны

(6.10)

Подставив выражения для слагаемых из (6.3) и (6.1), запишем

(6.11)

Коэффициент шума радиоприемника, выраженный в децибеллах,

. (6.12)

На входе приемника нужно обеспечить такое отношение сигнал-шум, чтобы искажения сигнала на выходе демодулятора не превышали допустимых значений. На РРЛ средняя мощность принимаемого сигнала на входе приемника около 10-6 Вт. Это достаточно большое значение, поэтому в приемниках РРЛ не ставят МШУ. В них собственные шумы смесителя и предварительных малошумящих УПЧ определяют коэффициент шума.

В приемниках ТРЛ и ССС с МШУ можно получить коэффициент шума, близкий к единице. Для оценки шумовых свойств таких приемников удобнее пользоваться понятием эффективность шумовой температуры. Ее определяют как температуру Тэ, до которой нужно нагреть сопротивление согласованного источника шума RA, чтобы мощность шумов от этого источника на выходе приемника стала равна мощности собственных шумов приемника, определенных при Т=ТО=293 К. Запишем для этого случая мощность собственных шумов приемника

. (6.13)

Мощность шумов, поступающих на выход приемника от антенны в случае, когда сопротивление RA нагрето до Тэ составит

. (6.14)

Приравняв Р*шА и Рш.пр, находим Тэ=(n_ш-1)Т₀. Современные приемные устройства отечественных спутниковых систем связи имеют Тэ=80…90 К, соответственно n_ш=1,3. Для них вместо (6.4) удобно применять следующую формулу для расчета мощности ТШ

, (6.15)

где Т_∑ - суммарная эффективная шумовая температура приемной установки (вместе с антенной и АФТ).

Чувствительность радиоприемника характеризует его способность принимать слабые сигналы. Чувствительность профессиональных радиоприемников, как правило, ограничена их собственными шумами. Она численно равна минимальному уровню радиосигнала на входе приемника, при котором на его выходе будут обеспечены заданное отношение сигнал-шум и номинальная выходная мощность полезного сигнала. Чем ниже значение этого уровня, тем более высокой считают чувствительность приемника. Для приемников часто указывают пороговую (абсолютную) чувствительность, которая численно равна такому уровню сигнала на входе приемника, при котором на выходе приемника мощности сигнала и теплового шума равны. На выходе приемников РРЛ требуется высокое отношение сигнал-шум. Ясно, что при этом уровень сигнала на входе приемника должен быть значительно больше, чем пороговая чувствительность

Кроме того, следует помнить, что при приеме ЧМ сигналов возникают пороговые явления. Поэтому чувствительность ЧМ приемника не может быть выше уровня пороговой мощности. Пороговая мощность

. (6.16)

Избирательность радиоприемника характеризует его способность выделять полезный сигнал и ослаблять мешающие сигналы, частоты которых отличны от частоты настройки приемника f1. Обычно указывают избирательность приемника на определенных частотах или, как говорят, по определенным каналам приема: соседнему и зеркальному.

Соседним называют канал, ближайший по частоте к полезному сигналу. Избирательность по соседнему каналу:

, (6.17)

где А(f) - АЧХ линейной части приемника;

А (f1) - максимальное значение А (f) при f=f1.

Для радиовещательных приемников частота соседнего канала f=f₁±10 кГц. Для приемников РРЛ такими каналами могут быть, например, соседние по плану частот стволы, т.е. f=f₁±28 МГц, или соседние стволы, работающие на общую антенну, в этом случае f=f₁±56 МГц. В приемниках РРЛ избирательность по соседнему стволу обеспечивают разделительные и полосовые фильтры, установленные на входе приемника, и фильтр ПЧ, входящий в состав УПЧ.

Зеркальный канал приема существует только в супергетеродинном приемнике. Частота его f_м отличается от частоты настройки приемника на 2fпр, а от частоты гетеродина на fпр.

Кроме рассмотренных выше параметров для радиоприемников указывают также диапазон рабочих частот, динамический диапазон, выходную мощность в оконечной нагрузке, паразитную мощность излучений гетеродина, стабильность, устойчивость работы и др.

От МШУ стремятся получить большое усиление сигнала и малые собственные шумы. Эффективная шумовая температура МШУ лежит в пределах 80…2000 К, в зависимости от назначения приемника. Полоса пропускания должна составлять сотни мегагерц для МШУ, предназначенных для одновременного усиления сигналов нескольких стволов, и десятки мегагерц для МШУ, работающего на один ствол. Обычно полосу пропускания указывают в процентах от центральной частоты f1. В приемниках земных станций предпочтительна конструкция, позволяющая разместить МШУ в непосредственной близости от антенны: в подзеркальной кабине либо в фокусе антенны. Для приемников КС ССС важны малые потребление, габариты, масса.

К основным типам МШУ относят усилители на ЛБВ, усилители на туннельных диодах (УТД), параметрические и транзисторные. Малошумящие усилители на ЛБВ и УТД имели одинаковую область применения - приемники КС ССС. В связи с тенденцией перехода на аппаратуру на твердотельных приборах от МШУ на ЛБВ сейчас отказались.

Усилители на туннельных диодах обычно обеспечивают коэффициент усиления 15…20 дБ и коэффициент шума 5…8 дБ, а полоса пропускания может достигать 0,5f₁. Они являются регенеративными усилителями. Для УТД характерны такие недостатки, как малый динамический диапазон, нестабильность параметров, неустойчивость работы.

Параметрические усилители (ПУ) широко применяют в приемниках ТРЛ и земных станций ССС, а транзисторные МШУ - в приемниках ЗС и КС ССС. Иногда их объединяют в комбинированные МШУ, в которых первые каскады - параметрические, а последующие - транзисторные.

Варактор работает при отрицательных напряжениях смещения. Постоянного тока в цепи варактора практически нет, поэтому в ней отсутствует дробовый эффект. Следовательно, варактор практически не вносит тепловых шумов. Из-за этого параметрические усилители имеют низкие собственные шумы. Обычно применяют криогенное охлаждение первых каскадов. Их погружают в криостат с жидким азотом, температура которого 77К. Более глубокое охлаждение можно получить, применив жидкий гелий, температура которого 20К.

Дата добавления: 2014-01-11