 |
"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" N 11, 2001 |  |
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
Получена 10 декабря 2001 г.
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.
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.
1. 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.
Вход 1 интерферометра
подключается к антенне, а выход 2 – к смесителю. Если разность хода
лучей в интерферометре 
равна
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].
2. 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.
3. 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. Поэтому в нижеследующей таблице проводится сравнение
измеренных значений с
рассчитанными значениями , которые имели бы место в случае
использования в том же приемнике преселектора, работающего в
"безвозвратном" режиме, но с тем же ослаблением 
, равным 1,35 дБ, как и в
реальном ИМ. 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].
4. 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`2001 Symposium 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.
Авторы:
Дрягин Юрий Алексеевич, E-mail: dryagin@appl.sci-nnov.ru
Кукин Лев Михайлович
Федосеев Лев Иванович, E-mail: fedoseev@appl.sci-nnov.ru
Швецов Александр Алексеевич, E-mail: shvetsov@appl.sci-nnov.ru
Институт прикладной физики РАН, 603950, Нижний Новгород,
Божков Владимир Григорьевич, E-mail: bozhkov@tomsk.ru
Геннеберг Владимир Александрович, E-mail: sneg@sneg.tomsk.su
Федеральное государственное унитарное предприятие НИИПП, Томск.
