Снижение потерь преобразования и однополосной шумовой температуры приемников КВЧ-диапазона путем восстановления сигнала, преобразованного в зеркальный кана

Размещено на http://allbest.ru

Институт прикладной физики РАН¹

Федеральное государственное унитарное предприятие НИИПП²

Снижение потерь преобразования и однополосной шумовой температуры приемников КВЧ - диапазона путем восстановления сигнала, преобразованного в зеркальный канал

Ю.А. Дрягин¹, Л.М. Кукин¹, Л.И. Федосеев¹, А.А. Швецов¹

В.Г. Божков², В.А. Геннеберг²

Нижний Новгород, Томск



Введение

Присущая супергетеродинным приемникам особенность, обусловленная возможностью одновременного приема излучения по прямому и зеркальному каналам, частоты которых лежат ниже и выше частоты гетеродина на величину промежуточной частоты , широко используется, например, в радиометрии при работе в континууме.

При приеме же монохроматического или квазимонохроматического излучения (связь, радиолокация, радиоастрономическая и атмосферная спектроскопия и т. п.) наличие зеркального канала помимо очевидного ухудшения помехоустойчивости приводит к неоднозначности результатов измерений, связанной как с отсутствием уверенности в полной идентичности упомянутых каналов, так и с возможными ошибками оценки конкретных вкладов излучения, поступающего в каждый из приемных каналов.

Во избежание этого проще всего воспользоваться фильтром, пропускающим к смесителю излучение сигнала частоты , но не пропускающим зеркальную составляющую частоты .

Под действием излучения гетеродина и излучения сигнала, поступившего в смеситель через фильтр, настроенный на пропускание, например, частоты

,

в нелинейном элементе смесителя возникает целый ряд гармоник и комбинационных частот. Среди них особое место занимают промежуточная частота и зеркальная составляющая



.

Более высокочастотные составляющие обычно закорачиваются или рассеиваются тем или иным образом. Напряжение промежуточной частоты выделяется на выходной нагрузке смесителя и подается на усилитель промежуточной частоты (УПЧ).

Что касается зеркальной компоненты, на возбуждение которой, как правило [1], затрачивается столько же мощности принимаемого излучения, сколько и на возбуждение полезного сигнала промежуточной частоты , то она обычно излучается от нелинейного элемента смесителя в сторону фильтра, где в большинстве случаев и поглощается, вызывая увеличение потерь преобразования на 3 дБ.

Между тем имеется возможность, если не избежать полностью этих пресловутых 3-децибельных потерь, то, в какой-то мере, их уменьшить [2, 3]. Для этого нужно отразить от фильтра паразитную зеркальную составляющую и в соответствующей фазе возвратить ее на нелинейный элемент [3]. В коротковолновой части миллиметрового диапазона попытка осуществления такого приема была предпринята еще в работе [4].

При этом был продемонстрирован полезный эффект - улучшение чувствительности на 10 %, но большие шумы аппаратуры и, главное, соизмеримость времени корреляции возникающей зеркальной составляющей с временем задержки последней в тракте возврата в смеситель не позволили авторам детально разобраться в ситуации.

Потребности совершенствования радиометрических анализаторов спектра для атмосферных и астрономических измерений заставили снова вернуться к исследованию и использованию вышеописанного способа повышения чувствительности однополосных приемников.

Ниже кратко описываются одноканальные приемные устройства (полуторамиллиметрового и трехмиллиметрового диапазонов длин волн), в которых реализован этот способ [5, 6] благодаря дополнению обычных двухканальных - так называемых широкополосных [1] супергетеродинов [7, 8] специальными преселекторами - устройствами, позволяющими не только расфильтровывать основную и зеркальную компоненты идущего от антенны к приемнику излучения, но и возвращать в нужной фазе к смесителю паразитную зеркальную составляющую; описываются также методика и аппаратура, с помощью которых выполнено исследование характеристик одноканальных приемников; уточняются данные предварительно опубликованные в [9], обсуждаются полученные результаты.



Устройство преселектора

Очевидно, что преселектор должен обеспечивать

- развязку прямого и зеркального каналов в соответствии с назначением однополосного приемника (как правило, не хуже 10 - 15 дБ);

- возможность перестройки при необходимости работы в некотором диапазоне частот;

- близкий к 100 % коэффициент отражения излучения на частоте зеркального канала в сторону смесителя;

- возможность подбирать необходимую величину задержки возвращающейся к смесителю "зеркалки".

При этом полная величина задержки (от смесителя до отражателя преселектора и обратно) должна быть заметно меньше времени корреляции сигнала в полосе зеркального канала .

Однопроходные же потери в преселекторе и в трактах, соединяющих его с антенной и со смесителем должны быть минимальными, т.к. обратному восстановлению из зеркального канала в прямой может быть подвергнута, к сожалению, не половина мощности сигнала, подошедшего к смесителю, а только ее часть, равная , где - полное число проходов излучения через преселектор.

Изготовить преселектор, отвечающий вышеперечисленным требованиям, в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн проще всего на базе интерференционных схем и сверхразмерных волноводов.

Так, еще в [4] для этой цели была использована схема интерферометра Цендера - Маха (ИЦМ), а в [5, 6] - интерферометра Майкельсона (ИМ). Устройство и принцип действия такого рода преселекторов проиллюстрированы рисунками Рис. 1 а и Рис. 1 б, соответственно.



Рис. 1 а	Рис. 1 б

Вход 1 интерферометра подключается к антенне, а выход 2 - к смесителю. Если разность хода лучей в интерферометре равна

(1)

где - длина волны колебаний промежуточной частоты, то в идеальном случае излучение сигнала в полосе основного приемного канала практически полностью передается от антенны к смесителю.

Зеркальная же компонента в случае ИЦМ поступает на его выход 4, где и поглощается "черным телом" (ч.т.), а в случае ИМ - отражается обратно в антенну.

Что касается возникшей же в смесителе паразитной зеркальной составляющей (на Рис. 1 она обозначена как ), то в случае ИЦМ она с подсоединенного к смесителю выхода 2 поступает на вход 3 этого интерферометра, откуда с помощью дополнительного подвижного плоского отражателя О отражается назад к смесителю в фазе, зависящей от положения отражателя. В случае же ИМ зеркальная составляющая просто отражается от интерферометра обратно к смесителю, а подстройка фазы отраженной волны осуществляется согласованным движением обоих (З₁ и З₂) плоских зеркал ИМ так, чтобы не изменять предварительно выставленную разность хода, равную четверти длины волны колебаний промежуточной частоты. Интерферометры, как уже отмечалось, были изготовлены на базе сверхразмерных волноводов: ИЦМ - сечением 23 X 10 мм - использовался, преимущественно в 3 - миллиметровом диапазоне, ИМ - сечением 11 X 5,5 мм - в 1,5 - миллиметровом диапазоне.

Полупрозрачные пластины интерферометров были сделаны из слюды. С помощью пирамидальных переходов к волноводам основного сечения интерферометры подсоединялись ко входам балансных смесителей приемников [5-8].

Методика измерений. аппаратура

В основу методики измерений было положено исследование отклика квадратичного детектора приемника в зависимости от фазы возвращающегося к смесителю от преселектора излучения в полосе зеркального канала.

Изменение этой фазы осуществлялось изменением - положения дополнительного отражателя О в случае ИЦМ или согласованного смещения обоих зеркал ИМ.

Измерения проводились при двух значениях температуры и согласованных нагрузок (обычной и охлаждаемой жидким азотом), поочередно подключавшихся ко входу преселектора. Им соответствовали отклики квадратичного детектора приемника и , связанные с параметрами приемника следующим выражением:



, (2)

где - вольт-ваттная чувствительность детектора, подключенного к выходу УПЧ; - коэффициент усиления УПЧ; - потери преобразования смесителя; - однополосная шумовая температура приемника.

Из выражения (2) следует, что и могут быть вычислены по следующим формулам:

, (3)

. (4)

Отметим, что в случае модульного исполнения приемника (например, [8]) отдельно измерить значения и часто не представляется возможным.

Однако интересующий нас относительный ход зависимости потерь преобразования от легко может быть получен простой нормировкой на значение , где - выделенное по тем или иным мотивам положение отражателя.

Первые опыты по обратному восстановлению из зеркального канала в прямой были выполнены еще при исследовании параметров монолитных балансных смесителей 1,5-миллиметрового диапазона [7], а результаты этих опытов сразу же нашли свое отражение в [5].

С такими смесителями при использовании лампы обратной волны ОВ-24 в качестве гетеродина, а также УПЧ с шумовой температурой 125 К и полосой пропускания 400 МГц на ряде частот диапазона 170 - 240 ГГц было обнаружено, что однополосная шумовая температура приемника путем согласованного перемещения зеркал ИМ-преселектора изменяется почти в полтора раза, а минимальные ее значения примерно на 20 % меньше удвоенного значения двухполосной шумовой температуры.

Дальнейшие эксперименты проводились на базе радиометрического анализатора спектра 1,5-миллиметрового диапазона [6] и 3-миллиметрового преобразовательно-усилительного модуля [8]. В каждом из этих приборов, как и в только что упомянутом случае, использовались подробно описанные в [7, 8] двухвходовые балансные смесители с однотипными монолитными интегральными схемами.

Гетеродином 1,5-миллиметрового приемника анализатора спектра [6] является лампа обратной волны ОВ-24 с системой фазовой стабилизации частоты, а 3-миллиметровый модуль [8] с этой же целью был дополнен генератором сигналов РГ4-14, подключаемым через прецизионный аттенюатор к гетеродинному входу модуля. Ширина полосы УПЧ этого модуля с помощью установленного перед детектором фильтра была уменьшена до 100 МГц (средняя частота настройки фильтра - 780 МГц).

В радиометрическом анализаторе спектра 1,5-миллиметрового диапазона [7] УПЧ с шумовой температурой 28 К должен был пропускать более широкую полосу частот от1350 до 1750 МГц, в связи с чем потребовалось уменьшить задержку в преселекторе.

Это было достигнуто практически без увеличения потерь благодаря применению в качестве преселектора интерферометра Майкельсона на базе сверхразмерного волновода уменьшенного сечения (11х5,5 мм) с соответствующими переходами (как и в вышеописанных первых опытах).

Так как частота гетеродина 3-миллиметрового приемника не была стабилизирована, то для настройки этого приемника и периодического контроля частоты пришлось использовать опорный сигнал, генерируемый умножителем частоты, который в свою очередь возбуждался синтезатором частот РЧ6-02.

Этот опорный сигнал и эталонное излучение от согласованных нагрузок, находящихся при комнатной температуре и температуре жидкого азота, поочередно подавались через сверхразмерный крановый переключатель и переходы от сверхразмерного волновода к волноводу основного сечения на вход преобразовательно-усилительного модуля [8]. Настройка преселектора 1,5-миллиметрового анализатора спектра проводилась также с использованием только что упомянутого опорного сигнала. радиометрический супергетеродинный преселектор

Результаты измерений

ИЦМ-преселектор является экспериментально более гибким по сравнению с ИМ-преселектором, т.к. позволяет без исключения его из входного тракта проводить измерения и в режиме обратного восстановления из зеркального канала в прямой, и в обычном одноканальном режиме (при замене отражателя "черным телом").

Поэтому большинство измерений было выполнено с использованием ИЦМ и 3-миллиметрового модуля [8]. Измерения проводились вблизи резонансных частот молекулярных линий поглощения озона (110,836 ГГц) и окиси углерода (115,271 ГГц). Обработка полученных данных измерений велась по формулам (3) и (4).

На Рис.2 а показан ход однополосной шумовой температуры и на Рис. 2 б нормированных потерь преобразования в зависимости от положения отражателя при настройке низкочастотного приемного канала на линию озона.



Рис. 2.

Как видно из Рис.2, области минимумов и , и приходятся на одни и те же значения - положения отражателя, при которых и происходит обратное восстановление сигнала, преобразованного в зеркальный канал. Минимумы следуют по с шагом примерно в половину длины волны принимаемого излучения. При этом достигается минимальное значение однополосной шумовой температуры приемника

(5)



т.е. примерно в 1,4 раза лучше, чем в "безвозвратном" случае (), когда отражатель O был замещен поглощающей нагрузкой:

(6)

Рис. 3

Аналогичные измерения были выполнены на частоте 115,3 ГГц, но при различном уровне мощности гетеродина.

Результаты измерений приведены на Рис.3, из которого видно, что относительные потери преобразования практически везде убывают с ростом уровня мощности, подаваемой в гетеродинный вход модуля.

При этом вне минимума потерь преобразования большей мощности гетеродина соответствуют большие значения однополосной шумовой температуры. В области же минимума ситуация меняется на обратную, и достигаются следующие минимальные значения (уровни мощности указаны в скобках):

(7)

В "безвозвратном" случае им соответствуют величины , равные

(8)

(точность измерений составляет примерно ). Таким образом, благодаря возврату сигнала, преобразованного в зеркальный канал, в данном случае удалось в 1,4 - 1,9 раза улучшить главный параметр приемника - его однополосную шумовую температуру. Что касается 1,5-миллиметрового приемника, то из-за вынужденного использования в качестве преселектора интерферометра Майкельсона исключалась возможность прямых измерений шумовой температуры этого прибора в режиме без возврата сигнала, преобразованного в зеркальный канал. Вычисления проводились по формуле:

(9)



При этом полагалось, что согласно [10] шумовое отношение близко к 1. Потери преобразования в безвозвратном режиме были измерены по методике [7] и так же, как и - шумовая температура УПЧ, приведены в этой таблице.

Таблица 1

174	2340	125	9,0	4237	1,81
223	3200	125	10,3	5831	1,82
210,5	1500	28	8,0	2472	1,65

Из последнего столбца вышеприведенной таблицы следует, что при прочих равных условиях реализованные с помощью правильно настроенного ИМ-преселектора значения однополосных температур приемников примерно в 1,6 - 1,8 раза должны быть лучше, чем соответствующие значения шумовых температур, которые могли бы быть получены с обычными преселекторами без возврата зеркального канала.

Полученные значения улучшения однополосной шумовой температуры приемника и в 1,5-миллиметровом, и в 3-миллиметровом диапазонах длин волн, в принципе, могут содержать также и вклады, связанные как с изменением степени согласования смесителя с входным трактом, так и с изменением уровня мощности гетеродина, поступающей в смеситель в зависимости от положения отражателя преселектора.

Однако оба эти вклада не являются определяющими, т.к. согласно [7,11] коэффициент стоячей волны (по напряжению) сигнального входа использованных смесителей не превышает значения 2,8 в 1,5-миллиметровом диапазоне и 2,0 - в 3-миллиметровом, а развязка сигнального и гетеродинного входов смесителя в упомянутых диапазонах превышает 23 дБ и 32 дБ, соответственно. Основное улучшение достигнуто, скорее всего, за счет уменьшения потерь преобразования при "возврате зеркалки".

Отметим также следующее: в книге [12] обсуждаются, в частности, особенности работы схемы с режекторным фильтром зеркального канала и подбираемой длиной пути от фильтра до смесителя, т.е. схемы, аналогичной предложенной в [4] и использованной в настоящей работе.

При этом подчеркивается, что в случае идеального резистивного смесителя улучшение может достигать 3 дБ, хотя реализовать его довольно трудно из-за возникающего рассогласования по выходу смесителя. Если же еще имеет место и заметная модуляция емкости, то выигрыш может быть и больше в связи с тем, что так называемое "обратное преобразование" (из промежуточной частоты в зеркальную), в принципе, может осуществляться с параметрическим усилением [12].



Заключение

Проведенные экспериментальные исследования еще раз продемонстрировали, что установка фильтра зеркального канала на вход широкополосного (двухполосного) супергетеродина может привести к тому, что шумовая температура скомпонованного таким образом приемника (однополосная!) и потери преобразования его смесителя будут значительно отличаться от удвоенного значения двухполосной температуры исходного широкополосного супергетеродина и потерь преобразования его смесителя. Это проявляется наиболее ярко, если имеет место заметное отражение излучения в полосе зеркального канала от выхода фильтра в сторону смесителя, а потери в фильтре малы.

В таком случае возможно либо улучшение, либо ухудшение вешеупомянутых параметров, что, в свою очередь, определяется тем, в какой фазе возвращается обратно в смеситель возникшее в нем под действием принимаемого сигнала и гетеродина паразитное излучение зеркального канала. Подбором соответствующей фазы этого сознательно возвращаемого излучения в 1,5- и 3-миллиметровом диапазонах длин волн реализовано улучшение однополосной шумовой температуры приемников в 1,4 - 1,9 раза по сравнению с "безвозвратным" случаем.

Авторы признательны Межотраслевой научно-технической программе России "Физика микроволн" (проекты 2.11 и 3.12) и Российскому фонду фундаментальных исследований (проект 99-02-16241) за долевое финансирование работ.



Литература

1. Кристаллические детекторы / Перевод с англ. под ред. Е.Я.Пумпера, - М.: Сов. радио, 1950. Т. 1.

2. Лосс М. // Электроника. 1965. № 14. С. 22.

3. Дрягин Ю.А. // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1998. Т. 41. № 11. С. 1378.

4. Дрягин Ю.А., Лубяко Л.В. // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1977. Т. 20. № 4. С.650.

5. Буров А.Б., Лубяко Л.В., Скалыга Н.К., Федосеев Л.И., Швецов А.А. Спектрорадиометр для наблюдений в окне прозрачности атмосферы 1,3 мм // Проблемы современной радиоастрономии. XXVII Радиоастрономическая конф. 10-14 ноября 1997г. Т.3. С.876. Санкт-Петербург. 1997.

6. Буров А.Б., Лубяко Л.В., Носов В.И., Серов Н.В., Скалыга Н.К., Федосеев Л.И., Шанин В.Н., Швецов А.А., Шкаев А.П. Радиометрический анализатор спектра для солнечных и экологических исследований в диапазоне длин волн 1,25 - 1,85 мм // 10-я Международная Крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (CriMiCo-2000). Севастополь, 11 - 15 сентября 2000 г.. Материалы конференции. С. 529 - 530. Севастопольский государственный технический университет. Крым, Украина.

7. Божков В.Г., Геннеберг В.А., Романовская В.Н., Федосеев Л.И., Фригер А.Д., Швецов А.А. // Радиотехника и электроника. 1996. Т. 41. № 7. С. 876.

8. Божков В.Г., Геннеберг, Кукин Л.М., Федосеев Л.И. Известия ВУЗов. 2000. Т.43. № 8. С. 732.

9. Dryagin Yu.A., Fedoseev L.I., Kukin L.M., Shvetsov A.A., Bozhkov V.A., Genneberg V.A. Mixer conversion loss and receiver single-sideband noise temperature improvement by return of signal converted in image // MSMV`2001Symposium Proceeding. Kharkov. June 4 - 9, 2001. Vol. 2. Pp. 735 - 737.

10. Божков В.Г., Вдовин В.Ф., Воронов В.Н., Геннеберг В.А., Дрягин Ю.А., Кузнецов И.В., Кукин Л.М.. Куркан К.И., Федосеев Л.И. // Радиотехника и электроника. 1992. Т. 37. № 4. С. 736.

11. Божков В.Г., Геннеберг В.А.,Фригер А.Д. // Физика микроволн. Сборник отчетов по научным проектам МНТП России "Физика микроволн". Т.2. С. 237. Проект 3.12. Создание квазимонолитного компактного усилительно-преобразовательного модуля для многолучевого приемника КВЧ-диапазона. Нижний Новгород. 1996.

12. Maas S.A., Microvave mixers. Artech - Hause., Dedham, MA, 1986.



Аннотация

Снижение потерь преобразования и однополосной шумовой температуры приемников КВЧ - диапазона путем восстановления сигнала, преобразованного в зеркальный канал. Ю.А. Дрягин1), Л.М. Кукин1), Л.И. Федосеев1), А.А. Швецов1) В.Г. Божков2), В.А. Геннеберг2)

1)Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород

2)Федеральное государственное унитарное предприятие НИИПП, Томск

Описываются методика, аппаратура и результаты исследования возможности одноканального супергетеродинного приема миллиметрового излучения с минимизацией потерь, связанных с преобразованием в зеркальный канал. В 1,5- и 3-миллиметровом диапазонах длин волн реализовано улучшение однополосной шумовой температуры приемника в 1,4 - 1,9 раза.

Размещено на Allbest.ru

...