Основные теоретические сведения. Предназначение МШУ, основные характеристики

2. Основные теоретические сведения.

2.1. Предназначение МШУ, основные характеристики.

В общем случае входная цепь широкополосных приемных устройств (с преобразованием и без преобразования несущей частоты) включает в себя предварительный малошумящий усилитель, усилительно-преобразовательные устройства и элементы антенно-фидерного тракта. Параметры входной цепи и принципы ее построения во многих случаях определяются возможностями предварительных МШУ. В СВЧ диапазоне применяются различные типы предварительных МШУ высокой частоты, основными из которых являются:

- квантово-парамагнитные усилители (КПУ);

- параметрические усилители (ПУ);

- транзисторные усилители (ТУВЧ);

- лампы бегущей волны (ЛБВ);

- усилители на туннельных диодах (УТД).

Выбор необходимого типа МШУ (наряду с шумовыми характеристиками) определяется и другими электрическими параметрами: полосой пропускания, диапазоном перестройки, стабильностью, уровнем насыщения, потреблением энергии, а также габаритами, весом, стоимостью и т.д.

Рассмотрим основные требования, предъявляемые к МШУ в зависимости от назначения радиосистем.

          1. Ширина полосы усиления должна быть максимальной, диапазон усиливаемых частот и ширина полосы усилителя определяются принципами построения входных цепей широкополосных приемных устройств и условиями, обеспечивающими получение необходимой помехоустойчивости. В большинстве случаев применяются неперестраиваемыеширокополосные МШУ с фильтрующими пассивными преселекторами.

2. Шумовая температура усилителя должна быть минимальной. Шумовая температура, характеризующая чувствительность приемной системы, определяется:

- шумовой температурой антенны, включающей в себя собственные шумы антенны и шумы внешних атмосферных источников (излучающий фон Галактики, шумы космического происхождения, шумы ионосферы, тепловые шумы атмосферного кислорода, водяных паров, шумы Луны, Солнца и т.п.)

-шумами входных цепей приемника и антенно-фидерного тракта.

Коэффициент шума усилителя больше коэффициента шума применяемого транзистора по ряду причин, в том числе из-за невозможности точной реализации в диапазоне частот оптимального сопротивления источника сигнала. В усилителе с полосой пропускания не более 20% коэффициент шума превышает обычно коэффициент шума транзистора не более чем на несколько десятых децибела. Такие усилители называются оптимальными по шумам.

3. Коэффициент усиления МШУ входной цепи должен быть достаточным для эффективного уменьшения шумов усилительно-преобразовательных устройств, следующих за МШУ. Коэффициент шумаприемного устройства определяется с допустимой погрешностью шумами первых двух каскадов входной цепи:

, где коэффициент шума МШУ;  коэффициент усиления МШУ;  коэффициент шума второго каскада входной цепи приемника.

          При достаточно большом значении вторым членом этого равенства можно пренебречь, и тогда коэффициент шума приемника будет определяться только уровнем шума МШУ. В современных приемных устройствах коэффициент шума второго каскада усилителей или усилительно-преобразовательных устройств не более 5 – 10 дБ. Поэтому коэффициент усиления МШУ должен быть не менее 10 дБ.

Малошумящие усилители с широким динамическим диапазоном должны сочетать в себе требования по шумам и линейности в большом диапазоне изменения сигнала.

4. Ширина полосы пропускания на дискретной частоте в случае применения перестраиваемой по частоте входной цепи должна быть достаточной для передачи с минимально возможными искажениями сигналов с различными видами модуляции. С учетом ширины спектров сигналов, а также нестабильностей амплитудно-частотных характеристик, частоты гетеродина приемного устройства мгновенная ширина полосы пропускания перестраиваемых МШУ должна быть не менее 20 – 50 МГц. Ширина полосы перестройки может быть значительно больше мгновенной ширины полосы пропускания.

5. Точка пересечения третьего порядка IP3 на входе в дБмВт. Теоретический уровень двух расстроенных сигналов на входе, который мог бы вызвать появление интермодуляционных составляющих третьего порядка такого же уровня, как и эти входные сигналы. До начала 80-х годов для описания интермодуляционных характеристик, как правило, использовалось понятие «коэффициента интермодуляции», однако, в дальнейшем был осуществлен переход к использованию значения «точки пересечения». Этот параметр оказался более удобным ввиду своей универсальности, поскольку он однозначно характеризует как линейность, так и динамический диапазон приемника (усилителя или любой другой нелинейной цепи). Уровень точки пересечения является достаточно постоянной величиной для данного приемника, в отличие от уровня интермодуляционных составляющих, который зависит от уровня мешающих сигналов на входе.

          6. Динамический диапазон усилителя определяется как разность между самым сильным и самым слабым сигналами, с которыми данный усилитель может работать. В качестве нижнего предела обычно принимается уровень шума (т.е. минимальный различимый сигнал), а верхний предел определяется линейными характеристиками усилителя, такими, как например, уровень блокирования или точка компрессии на 1 дБ. Точка компрессии является абсолютной границей практической линейной  амплитудной характеристики.

7. МШУ должны обладать достаточно высоким уровнем насыщения. Обычно уровень насыщения в МШУ различных типов составляет 10^-4 - 10^-7 Вт. При недостаточно высоком уровне насыщения в усилителе СВЧ может возникнуть внутренняя и перекрестная модуляция, а также наступить насыщение приемного устройства. Как установлено на практике, для удовлетворительной работы