4.3. Малошумящие усилители.
На любые приемные устройства аппаратуры связи воздействуют шумы, которые можно разделить на две большие группы: внешние и внутренние.
У систем связи с космическими объектами основная доля суммарных шумов приходится на внутренние шумы приемника. При создании таких систем учитывают два важных фактора:
Возможности повышения мощности передатчиков и параметров антенн ограниченны (определяются энергетикой ретрансляторов: вес, мобильность).
Уровень принимаемых сигналов сопоставим с уровнем внутренних шумов приемных устройств.
Поэтому, для увеличения дальности и качества связи в технике связи, работающей в области СВЧ, применяют малошумящие усилители (МШУ), т.е. устройства с малым уровнем собственных шумов.
В качестве МШУ используются :
Параметрические усилители (ПУ);
Усилители на туннельном диоде (УТД);
Транзисторные усилители;
Молекулярные усилители (квантовые парамагнитные усилители - КПУ).
В военной технике связи широкое распространение получили ПУ, УТД, Транзисторные МШУ.
Как и все усилители МШУ характеризуются рядом параметров:
Коэффициент шума (Кш);
Ширина полосы рабочих частот ( F);
Средняя рабочая частота (Fраб);
Коэффициент усиления (Ку).
Особое значение в характеристике МШУ имеет Кш.
Кш (шум-фактор) определяет уровень шума, генерируемого в усилителе и показывает, во сколько раз он ухудшает соотношение сигнал/шум по мощности, по сравнению с идеальным МШУ:
где Рс(вых) ; Рс(вх) - мощность сигнала на входе и выходе МШУ;
Рш(вых) ; Рш(вх) - мощность шума на входе и выходе МШУ.
Коэффициент шума в децибелах численно равен:
Для приемных устройств у МШУ Кш близок к 1, поэтому для точной оценки их шумовых свойств пользуются понятием шумовой температуры Тш:
;
где То=293 К.
В этом случае считают, что приведенный к входу собственный шум усилителя создается согласованным с входом усилителя шумящим резистором с сопротивлением Rш=Rвх. Температура, которой должен обладать этот резистор, что бы создать на выходе шум реального усилителя и есть эквивалентная шумовая температура Тш.
4.3.1. Параметрические усилители.
Параметрическим называют усилитель, в котором используется эффект отрицательного сопротивления, создаваемого периодическим изменением емкости или индуктивности колебательного контура.
Наибольшее распространение получили ПУ на нелинейной емкости p-n-перехода полупроводникового диода (варактора или параметрического диода). Они имеют меньшие габариты по сравнению с КПУ, проще в эксплуатации, но уступают им по шумовым свойствам.
К ш пу = 1,6-2;
К ш кпу=1,1;
К ш утд=3-5.
Активный элемент ПУ - варактор - имеет нелинейную зависимость емкости от напряжения смещения (рис.28) и работает от отрицательного смещения.
рис. 28
Принцип действия ПУ основан на периодическом изменении емкости. Рассмотрим, каким образом цепь с нелинейным реактивным элементом может усиливать. Пусть переменная емкость включена в одиночный резонансный контур (рис.29 а), в который извне подается слабый синусоидальный сигнал на частоте резонанса контура.
рис. 29
При этом внешняя сила синхронно с колебаниями напряжения сигнала изменяет расстояние между обкладками конденсатора следующим образом: в момент t1, когда напряжение на конденсаторе становится наибольшим по модулю, внешняя сила скачком увеличивает расстояние между обкладками конденсатора, уменьшая тем самым емкость. На такое увеличение зазора внешняя сила затрачивает работу, т.к. раздвигаются притягивающиеся друг к другу разноименные заряды на пластинах конденсатора. При этом работа внешней силы преобразуется в энергию электрических колебаний контура, увеличивая ее (рис. 29 б), т.е. усиливает сигнал.
В момент времени t2, когда напряжение на конденсаторе равно нулю, пластины конденсатора также скачком возвращаются в исходное положение, на что внешняя сила не расходует энергии, т.к. в этот момент заряд конденсатора равен нулю.
Из выше изложенного видно, что для получения максимального усиления необходимо выполнить два условия:
частота изменения емкости должна быть ровно в два раза больше частоты сигнала (рис.30);
соотношение фаз изменения емкости и изменения напряжения сигнала должно быть таково, чтобы емкость всегда уменьшалась, когда напряжение сигнала становится максимальным (по модулю) (рис.30).
Практически емкость изменяется не механически, а электрически. Для этого используют специальный генератор - генератор накачки, которым как бы "накачивается" энергия в колебательный контур (рис.30).
рис. 30
В зависимости от конструкции ПУ делятся на:
проходные - отдельный вход и выход сигнала;
отражающие - имеется один элемент связи для входа и выхода.
Последние нашли наибольшее применение (рис. 31).
рис. 31
На практике ПУ используют в диапазоне от 1 до 10 ГГц. С целью снижения коэффициента шума ПУ иногда применяют принудительное охлаждение (в частности жидким азотом).