Малошумящие усилители диапазон СВЧ

Малошумящие усилители диапазон СВЧ (МШУ)

Определение, назначение, параметры, классификация МШУ.

Основное назначение МШУ- обеспечение минимального коэффициента шума при достаточном усиление, чтобы шумами последующих трактов можно было пренебречь.

Параметры:

1) N или Т_ш ( в диапазоне СВЧ пользуются шумовой температурой Т_ш )

2) Коэффициент усиления по мощности – К_р

3) Ослабление побочных каналов приема d_зк, d_nк .

4) П_мшу/f_cр- широкополосность МШУ.

5) Динамический диапазон ( характеризуется мощностью насыщения - Р).

Р_{насыщения}- такая мощность входного сигнала, при которой амплитуда

характеризуется становится нелинейной).

6) Устойчивость работы.

7) Масса и габариты.

МШУ изготавливаются специальными организациями.

Классификация МШУ:

1. По принципу усиления сигналов:

- усилители на невзаимных трехполюсниках УП (биполярные, ); отличительная особенность прохождения сигналов в одном направлении (вх-вых).

- на двухполюсных электрических приборах.

- на двухполюсных электрических приборах с отрицательной проводимостью.

- усилители с использованием внутримолекулярной энергии вещества (квантовые усилители).

- усилители с использованием лампы бегущей волны.

- регенеративные усилители (с параметром управления используют эффект регенерации).

 - квантовые усилители с охлаждением (имеют сложную конструкцию).

Квантовые и регенеративные усилители по способу включения делятся:

- усилители входного типа.

- усилители отражательного типа.

В усилители входного типа используют однонаправленные ферритовые вентили, включенные по схеме:

В усилители отражательного типа используются циркуляторы, включенные по следующей схеме:

 

Параметрические усилители (ПУ).

Т.е усилители в которых усиление происходит на основе реактивных элементов с переменными параметрами.

Управление параметрами реактивного элемента осуществляет направление накачки. В качестве управляющих элементов использует емкости (замкнутый р-n полупроводникового диода); реже используют управляющие индуктивности (ферриты). Для ферритовых ПУ требуются м-п и мощные генераторы накачки, поэтому применяются реже.

ПУ м.б проходящего и отражательного типа

В зависимости от соотношения частот (f_c, f_н , f_вых ) ПУ м.б:

- с сохранением частоты (f_вых= f_c)

- с преобразованием частоты (f_вых≠ f_c)

·  усилитель с преобразованием частоты вверх (f₊ =f_c+f_н );

·  усилитель с преобразованием частоты вниз (f_- =f_c-f_н );

При преобразовании вверх система кажется нерегенеративной и коэффициент усиления:

К_р

Такие ПУ называются стабильными повышенными преобразователями. Их применение ограничено невозможной поляризацией в диапазоне СВЧ большого К_р.

При преобразовании вниз система регенеративна и может обеспечить сколь угодно большое усиление, но при этом в зависимости от соотношения f_с и f_- результируются м.б либо в одной колебательной системе (f_с ≈ f_-), либо в различных колебательных системах.

В зависимости от этого усилители называются соответственно одноконтурными или двухконтурными.

Для одноконтурных ПУ: f_- ≈ f_с и   f_н ≈ 2f_с.

Коэффициент усиления и коэффициент шума зависят от параметров колебания накачки (от соотношения фаз между направлением накачки и направлением сигнала).

max K_u и min N обеспечиваются в синхронном режиме, т.е когда  f_н = 2f_с.   

Для избавления от этой зависимости, последовательно с контуром, настроенным на частоту сигнала, включают холостой контур, настроенный на одну из гармоник  (f_-), получается двухконтурный усилитель. 

 

          Четырехплечий циркулятор

 

                                                             Распределение энергии только в одном

     4                                  направлении

                             2

          Трехплечий циркулятор

 

                                                             Усиление на АБВ применяется в

приемниках с шириной динамического

диапазона (в пр. РПС)

                                                             (В зависимости от назначения

при построении)

          Особенности транзисторных СВЧ усилителей.

          На частоте больше 5 ГГц полевые транзисторы имеют лучшие параметры чем биполярные транзисторы.

          Преимущества полярного транзистора (с барьером Шоттки):

1.  Малый коэффициент обратной передачи.

2.  Меньшие нелинейные искажения.

3.  Меньшая чувствительность входных и выходных параметров к изменению температуры окружающей среды.

4.  Меньший коэффициент шума.

          В схеме с ОИ коэффициент передачи больше, чем в схеме с ОЗ.

     Вх                                                                Вых

          В качестве согласованной цепи используют Г-образные структуры

          f_раб = 1 – 7 ГГц

          N = 2.5 дБ   на f = 1,6 ГГц

          К_р = 7 дБ.

          Коэффициент согласования выбирают так, чтобы был компромисс между коэффициентом передачи и коэффициентом шума, для устранения противоречия используют балансные усилители.

          Структурная схема.

Источник      

сигнала      Z₀                                                                                             Z₃

 

 

 

 

                                                                                                                                                                              Z₄            Вход следующего

каскада

          Нагрузки выбирают так, чтобы обеспечить тон коэффициента шума. Главное условие: идентичность.

Преимущества балансной схемы.

1.  Независимость согласования по КСВН и коэффициента шума.

2.  Более выясненная линейность характеристики

3.  Больше динамический диапазон

4.  Малый КСВН вх и вых.

1-ый каскад обеспечивает min коэффициент шума, а последующие так усиление.

Достоинства транзисторных усилителей СВЧ:

1.  Простоты

2.  Высокая надежность

3.  Малый коэффициент шума

4.  Возможность миниатюризации с ИСП на ИС

Расчет транзисторных МШУ включает:

1.  Расчет Кр и устойчивости

2.  Расчет АЧХ

3.  Расчет коэффициента шума (N).

При расчете удобно характеризовать транзистор натр-рассеивания (S-параметры). Эти параметры можно найти более точно, чем Y. В зависимости от S-параметров, требующих усиление, будет или безусловно устойчивым (не само или условно устойчивым)).

Важнейший параметр: полоса пропускания (п/пр) (определяется структура согласованных цепей).

        в этой полосе S-параметров можно считать постоянным.

Усилители на тоннельных диодах (УТД).

Усилители сигналов достигают за счет высокого отрицательного сопротивления.

Усиление сигналов достигается за счет вносимого отрицательного сопротивления.

                                  величина отрицательного сопротивления

достигает нескольких десятков Ом

Достоинства:  

-  отсутствие необходимости (в отличие от ПУ) в непрерывной накачке

-  безинерционность;

-  малый уровень потреблений энергии;

-  возможность реализации в гибридно-интегральном использовании;

-  большой срок службы.

          Обычно УТД используются в диапазоне 20 ГГц, может иметь коэффициент усиления до 20 дБ.

          УТД отражательного типа более широко применяются, чем проходящего типа, т.к. они обладают большей устойчивостью при одном и том же коэффициенте усиления и имеют более широкую полосу пропускания.

          Однако в ряде случаев УТД проходящего типа может оказываться предпочтительнее, особенно в многокаскадном УПЧ.

                                                   R_НП – сопротивление нагрузки поглощения

Упрощенная принципиальная схема

                                                   R_H, C_H – входные параметры следующего каскада

с помощью смещения Е выбирается рабочая

точка.

Эквивалентная схема тоннельного диода

	LS – индуктивность вводов rs – сопротивление потерь CA – емкость твердого диода g – проводимость диода		G, B– вещественная и мнимая составляющие проводимости.
		-  активная составляющая зависит от частоты и сохраняет отрицательное значение на частотах меньше некоторых. Кр. значения, это значение можно найти, если RД = 0

          Типовая функциональная схема двухконтурного ПУ.

Напр с. постоянным на ППУ через циркулятор, трансформатор обеспечивает связь сигнального резистора с входа причем регулятора холостой резонатор настроен на частоту f. Рабочая точка задерживается ЕСМ

          Эквивалентная схема параллельного диода.

LS – индуктивность выводов диода (0,2 ~ 2 н Гц) С – емкость полосы пропускания диода (0,3–1пФ) СД – емкость кристаллодержателя.

          Важнейшая характеристика: критическая частота – уже max частота, на которой отрицательное сопротивление вносится диодом в контур = сопротивлению потерь r_s.

          Критическая частота f_К³ (2¸4) f_C

          Напряжение смещения И_{о опт} »

Амплитуда накачки И_Н » 0,9 ¸ 0,95 И_О

          Шумовая температура двухконтурного отражательного ПУ.

          t_ш зависит от соотношения f_Cи f_Ш, а также динамической температуры t_у.

          Отношения шумовой температуры , зависят от соотношения f_c, f_-и f_KP.

 тогда

t_Ш ¯ с ростом в, т.е. с увеличением f_КРдиода, при этом для каждого в есть свое оптимальное а.