Понижающие варакторные и варисторные преобразователи частоты и вопросы их применения в радиометрах миллеметрового диапазона волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

§1.1. Варисторные преобразователи частоты

§1.2. Параметрические усилители и преобразователи миллиметрового диапазона длин волн.

§1.3. Постановка задачи.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХЙ, С й ЙС систем

§2.1. Некоторые , (I и ££ систем ' :

62.2. Анализ - систем.

§2.3. Анализ £ - систем.

§2.4. Анализ многочастотных С- систем

§2.4.1.Анализ трехчастотного варакторного преобразователя частоты вниз и усилителя с

НЧ накачкой

§2.4.2.Трехчастотный параметрический преобразователь частоты вниз

§2.4.3.Параметрический усилитель с НЧ накачкой

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА И АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ МАЛО-ШУМЯШИХ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ В КОРОТКОЙ ЧАСТИ САН1ИМЕТР0В0Г0 И МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНОВ ВОЛН

ВВЕДЕНИЕ . ?

§3.1. Методика определения основных параметров

-систем

§3 2. Мэтодика определения параметров и анализ СТР' эквивалентной схемы трехчастотного варакторного С - преобразователя вниз '.

§3.3. Методика определения основных параметров параметрического усилителя с НЧ накачкой.

ВЫВОДЫ .Ю

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАЛОШУМЯИЩ ВА

РАКТОРНЫХ И ВАРИСТОРНЫХ ПОНИЖАЮЩИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В РАДИОМЕТРАХ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН .ЮЗ

ВВЕДЕНИЕ

§4.1. Исследование варакторного понижающего преобразователя частоты вниз в диапазоне 20 ГГц

§4.2. Исследование параметрического усилителя с НЧ накачкой в диапазоне 10 ГГц

§4.3. Экспериментальное исследование ßC-системы в диапазоне 37,5 ГГц

§4.4. Радиометр 8-мм диапазона длин волн с параметрическим преобразователем на входе.

ВЫВОДЫ

Актуальность исследования« Миллиметровый участок спектра длин волн имеет важное значение для различных сфер науки и техники. От более длинноволновых этот диапазон отличается большей информативностью, возможностями миниатюризации многих ОВЧ элементов и антенно-федерных устройств.

В радиометрии важность миллиметрового диапазона определена тем, что здесь находятс$:;характерные вращательные спектры кислорода, озона, водяного пара, а таюке присутствуют области с относительно небольшим затуханием в атмосфере - окна прозрачности. Все это позволяет использовать его в мзтеорологии, изучении природных ресурсов Земли, радиоастрономии, космической связи, радиолокации и т.д. (ИЗ.

Развитие этих областей наука, их быстрое совершенствование прежде всего связано со степенью развития методов генерации д приема излучения миллиметровых волн. Создание надежных высокочувствительных приемных систем в миллиметровом диапазоне волн сопряжено с рядом сложностей. Здесь наиболее широкое распространение получили супергетеродинные радиометрические приемные устройства. Основными входными элементами, которые определяют шумовую теше -ратуру такого радиометра, служат преобразователи и параметрические усилители. В коротковолновой части миллиметрового .диапазона использование параметрических усилителей ограничено из-за отсутствия высокочастотных полупроводниковых генераторов накачки, а варисторные преобразователи частоты имеют низкие коэффициенты передачи.

Поэтому, целью работы является:

I. Теоретическое и экспериментальное исследование возможное

- 5 тей создания высокочувствительных приемных устройств с частотой накачки (гетеродина) близкой к.частоте сигнала на основе параметрических варисторных и варакторных систем, использующих в качестве нелинейных элементов переменные активное сопротивление и ем -кость реальных полупроводниковых структур;

2. Теоретическое исследование параметрических систем с частотами накачки близким к частотам входного сигнала, таких как:

- системы с активным сопротивлением (Я - системы), ч

- системы с переменной емкостью ( С - системы), - системы с переменным активным нелинейным сопротивлением и емкостью ( ЯС- системы).

3. Экспериментальное исследование Я , С и КС- систем, включая параметрические трехчастотные преобразователи и усилители с частотами.накачки, близкими к частотам входного сигнала.

4. Экспериментальное исследование супергетеродинного радиометра миллиметрового диапазона волн с малошумящей параметрической

- системой на входе.

Научная новизна работы определяется следующими впервые проведенными исследованиями:

1. Проведено теоретическое исследование параметрической трех-частотной С -системы с преобразованием частоты вниз, работающей как в двухполосном, так и в однополосном режимах. Изложены вопросы расчета и оптимизации такой системы по максимальному коэффициенту передачи.

2. Проведено теоретическое исследование трехчастотного параметрического усилителя с низкочастотной накачкой.

3. В диапазоне 37,5 1Тц проведено экспериментальное исследование преобразователя, в котором наряду с модуляцией активного сопротивления происходит модуляция емкостной составляющей нелинейного элемента.

4. В диапазоне 20 ГГц выполнено экспериментальное исследование трехчастотного варакторного преобразователя.

5. В диапазоне 10 ГГц проведано экспериментальное исследование параметрического увилителя с низкочастотной накачкой.

6. В диапазоне 37,5 ГГц создана экспериментальная радиометрическая система с параметрическим -преобразователем на входе, флуктуационная чувствительность которой близка к флуктуацаонной чувствительности радиометров с параметрическими усилителями на входе.

Диссертационная работа состоит из четырех глав.

В первой главе дается анализ состояния варисторных преобразователей частоты и варакторных преобразователей и усилителей. На основе аналитического обзора литературы ставится задача исследования.

Вторая глава работы посвящена вопросам общей теории варакторных и варисторных трехчастотных параметрических систем.

В третьей главе рассматривается методика расчета и определения параметров параметрических преобразователей и усилителя с низкочастотной накачкой.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования малошумящих варакторных и варисторных параметрических понижающих преобразователей и усилителя с низкочастотной накачкой. Здесь же приводятся результаты экспериментального исследования высокочувствительного радиометра 8-мм диапазона.

Материалы диссертации опубликованы в десяти работах £?5-7б] , [78] , §3-89] .

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведено теоретическое исследование трехчастотных КС-систем для полупроводникового нелинейного элемента с реальными характеристиками диода с барьером Шоттки. Показано, что в режиме равных нагрузок по боковым сигнальным частотам реализуется коэффициент передачи системы, превышающий теоретический для идеализированной - системы. Нормированная шумовая температура приемного устройства с ВС- системой значительно ниже эффективной шумовой температуры подобного устройства с (I - системой.

2. Проведено теоретическое исследование параметрической трехчас-тотной £ - системы с преобразованием частоты вниз. Показано, чтов нагрузок по входным боковым сигнальным частотам она проявляет регенеративные свойства, имея высокий коэффи -циент передачи ** \ 10 * 20) дБ и эффективную шумовую температуру ^ (150 4- 300) К.

Глубокое охлаждение 6 - системы до уровня криогенных температур " 77К, 20К, 4К приводит к значительному снижению шумовой температуры ^ (10 - 1003 К.

3. Проведено теоретическое исследование параметрической много -частотной С -системы с "холостым" контуром по нижней боковой полосе частот, работающей с преобразованием частоты сигнала вниз. Такая параметрическая система является также регенератив -ной, коэффициент усиления 10 + 20) дБ, эффективная шумовая температура ее, в основном, определяется физической температурой "холостого" контура и слабо зависит от величины активной нагруз -ки в нем. Если параметрический преобразователь находится при температуре окружающей среды ~ 300К, его шумовая температура будет составлять ~ (600 - 800) К, в то время как глубокое охлаждение контура зеркальной частоты, которое может быть достигнуто с по -мощью рупора, направленного в "холодное" небо, снижает эффективную шумовую температуру однополосной С - системы до уровня

- (200 - 300Ж.

4. Впервые выполнено теоретическое исследование трехчастотной параметрической системы, работающей в режиме двухполосного отражения сигнала, у которой контур частоты си0 является "холостым". Эффективная шумовая температура такого усилителя при температуре ~300К составляет ~ (2004- 400Ж и снижается до уровняЧ 100*150Ж при охлаждений ЛУ до температуры кипения жидкого азота ~ 77К;ко -эффициент передачи параметрического усилителя ~ (10 * 15) дБ.

Отмечено, что такая параметрическая система с низкочастот -ной накачкой может быть использована в качестве входного устройства радиометров миллиметрового диапазона без существенной перестройки приемной системы, т.к. для накачки ПУ может быть использовано часть мощности гетеродина приемного устройства.

5. Впервые предложен метод расчета трехчастотной двухконтурной параметрической С-системы с преобразованием частоты вниз.

Изложены вопросы оптимизации такой системы по максимальному коэффициенту передачи.

Отмечено, что двухконтурная трехчастотная С - сиотема реализуема на практике во всем миллиметровом диапазоне волн.

6. Впервые изложена оригинальная методика измерения передаточных и шумовых характеристик двухполосного параметрического усилителя с низкочастотной накачкой.

7. Выполнено экспериментальное исследование &С - системы в 8-мм диапазоне. Реализован двухполосной коэффициент передачи лреобра-зователя~1 дБ * 0,5 дБ при относительной выходной шумовой температуре ~ 1,2 *• 1,3. Шумовая температура приемной системы, пост -роенной на основе R.C, - системы и малодумящзго транзисторного усилителя с " 200 К составляет ~ (230 - 250Ж. Полученные оригинальные результаты позволяют сделать вывод, что в настоящее время шумовая температура приемной системы с параметрическим преобразователем на входе в миллиметровом диапазоне волн, блиэса к эффективной шумовой температуре приемных устройств с параметри -ческим усилителем.

8. Впервые проделано экспериментальное исследование трех -частотной параметрической С - системы с преобразованием частоты вниз. В диапазоне~20ГГц реализован коэффициент передачи параметрической С- системы~3 дБ при7^^340 К. Амплитудно-частотная характеристика системы определяется контуром промежуточной частоты и составляет ** 8 мГц.

Экспериментальное исследование такой двухполосной С - системы показывает перспективность применения этих устройств в ко -ротковолновой части миллиметрового диапазона, где полоса пропускания преобразователя без компенсаций может составить~(400-600) мГц.

9. Впервые проведено экспериментальное исследование параметрического усилителя с низкочастотной накачкой. Отмечено хорошее совпадение эксперимента с теоретическим исследованием ПУ.

В диапазоне'ЧТО ГГЦ коэффициент передачи ПУ с Щ накачкой ~ 9 дБ и эффективная шумовая температура~500К.

Отмечено, что при оптимальных- по шумовой температуре, условиях и температуре окружающей среды^ЗООК эффективная шумовая температура ПУ составит^ЗООК. Такая система может с успехом использоваться в радиометрах, миллиметрового диапазона для регист -рации радиотепловых контрастов подстилающей поверхности с общим фоном ~ (250 * 300) К.

10. Проведено экспериментальное исследование радиометра 8-мм диапазона длин волн в качестве входного устройства которого служит параметрическая Й.С.- система.

Флуктуационная чувствительность радиометра,приведенная ко входному волноводному фланцу~О,05К при постоянной времени интегрирующей цепи £ = I сек.

Проведены летно-бортовые испытания радиометра в составе радиометрического комплекса самолета-лаборатории в 1980-1983гг.

Флуктуационная чувствительность радиометра, приведенная ко входу антенны, по данным бортовых измерений ~ 0,06К.

Долговременная стабильность коэффициента усиления не хуже Л

Уход нуля за время работы шесть часов-менее шумовой дорожки.

Показано, что дальнейшее уменьшение потерь во входных пас -сивных СВЧ-элементах приемного тракта позволит увеличить чувст -вительность радиометра до уровня ~ (0,02 т 0,03)К.

Таким образом, проведенное исследование показало достаточную эффективность и реализуемость многочастотных параметрических систем,которые могут сущзственно улучшить чувствительность супергетеродинных приемных устройств миллиметрового диапазона и приб -лизить их параметры к параметрам аналогичных систем с параметри -ческишусилителями на входе.

В заключение выражаю искреннюю благодарность научным руководителям, профессору B.C. Эткину и кандидату физико-математи -ческих наук Ю.Б.Хапину за постоянное внимание и поддержку в ра -боте.

Я глубоко признателен В.М. Анисковичу за большую помощь -и полезные обсуждения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В настоящей работе представлены результаты теоретического и экспериментального исследования многочастотных параметрических систем,в которых используются различные виды нелинейных элемён -тов.

Предложена оригинальная методика измерения основных передаточных и шумовых характеристик параметрических систем с низкочастотной накачкой.

Проведено экспериментальное исследование радиометра 8-мм диапазона дайн волн, использующего многочастотную параметрическую систему с - преобразователем частоты.

Показано, что такие системы являются перспективными в ка -честве входных устройств радиометров миллиметрового диапазона, включая его коротковолновую часть.

1. Наумов А.Г. Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1968,4, М2, с • 170.

2. Скольник М. Зарубежная радиоэлектроника. 1975, Л5, с.3-5.3. shnyder l.e.ieee trans., 1974, мтт я 22.

3. Кристаллические детекторы. В 2-х т. Пер. с англ. /Под ред. Е.Я. Пумпера. М. Сов. радио, 1950, т.1,2.5. 1Уткин Л.С. Преобразование сверхвысоких частот и детектирование. М. Госэнергоиздат, 1953.

4. Войшвилло Г.В., Горошкин Н.Д. Обобщенная теория преобразовав телей спектра частот. Радиотехника, 1963,18,ЖС, с.35.

5. Немпихер Ю.А.,Никулин Л.Н., Струков И.А.,Радиотехника, 1977, 32, №.

6. Селиваненко H.E. Вопросы радиофизики и спектроскопии. М., 1966, вып.2, 262-270.

7. EE TRANS.,1974,VOL.MTT»22,N.12,1159.30. MEREDITH R., WARNER F.L.

8. EE TRANS.,1963,VOL.MTMI,397.

9. Кисляков А.Г., Лебский Ю.В., Наумов А.И., Изв. ВУЗ'ов, Радиофизика, 1968, П, 1791.

10. COHN М., WENTWORTH F.L.,WIETSE. PROC. IEEE,1963,51,1227.33. WILSON W.

11. EE TRANS. 1977, VOL. MTT-,25,N.4,322-^335.

12. Бордонский Г.С.,Зазинов A.H.,Кирсанов Ю.А.,Кравченко М.К., Хапин Ю.Б.,Шарапов А.Н.,Эткин B.C. Препринт ИКИ АН СССР, 1977, Пр-321.

13. Семин А.Г.,Хапин Ю.Б.,Шарапов А.Н.,Радиотехника,1979,т.34, 9,42-45.36. KERR A.R.

14. EE TRANS.,1975,VOL.MTT-2 3,10,781.

15. ZEFFRTS К.В., PENZIAS A.A., WILSON R.W., SOLOMON P.M. АР. J.168,L.Ill (1971).38. GLOERSEN P ., BARATH F.T.

16. EE J. OCEANIC. ENG.,1977,VOL. 0E^2,APR.

17. KTOKU E.G., STACEY J.M., BARATH F.T.

18. EE J. OF OCEANIC ENGINEERING ,1980, VOL.0E-s5,N.2,I00-SII5.40. TIURI M., RAISANEN A,

19. REPT. RADIO LAB. HELSINKI. UNIV. TECHNOL.,1974,562,1-10.41. WEINREB S., KERR A.R.

20. EE J. OF.SSC, SC-s8,1973,1,58st63.

21. Гречко С.И. Радиотехника, 1979,т.34,$9, 45-47.43. viola t.,mattanch r.journal appl. phys., 1973, vol. 44, n.6.44. deloach b.c. proc. ire.i960,48,7,1323.

22. Клич С.M.,Прокофьев Д.Д., Радиотехника и электроника, 1962, 12,12.

23. Берлин А.С.,Визель А.А.,Выставкин А.Н.,Попов Е.И., Хотунцев Ю.Л.,Штыков В.Д. Радиотехника и электроника, 1965, 10,10,1907.

24. Корогод В.В.,Милицкий Ю.А.,Струков И.А.,Эткин B.C. Известия БУЗ'ов, Радиофизика ,1973, ХУ1, №5, 688-690.

25. Эткин В.С.,Гершензон E.M. Параметрические системы на полупроводниковых диодах. М.,Сов.радио, 1964.

26. Бекер В.Э.,Каневский Б.3.,Корогод В.В.,Косов А.С.,Немли-хер Ю.А.,1^кавицин А.Ф.,Скулачев Д.П.,Струков И.А. XI Всесоюзная радиоастрономическая конференция по аппаратуре, антеннам и методам. Тезисы докладов, г. Ереван, 1978, 2931.

27. Дьяченко Б.Н.,Гладышев А.Н. Изв. БУЗ'ов, Радиотехника, 1964, т.7, Н.

28. Золотарев Н.Я.,Эткин B.C. Радиотехника и электроника, 1976, XXI,7, 1568-1570.

29. Косогор А Л.,Малышев В. А., Радиотехника и электроника, 1971, ХУ1, II, 2141.

30. Регенеративные полупроводниковые параметрические усилители. Под ред. Мигулина В.В.,М. Сов.радио, 1965.

31. Трифонов В.И. Радиотехника и электроника, 1966, УШ, 8,1418.62. henning h.b. ieee internat, convent. rec.,1963, pt.3,3.63. henning h.b. microwave j., 1963,6,10,61.

32. Карманова Е.С.,Рожкова Г.И.,Эткин B.C.»Радиотехника и электроника, 1969,IX, 9, 1622.65. electronic design,1964,12,12,18.

33. Рытов е., Дивильковский М., ЖТФ, 1935, т.6, №3, 474.

34. Гершензон Е.М.,Птицына М.Г., Рожкова Г.И.,Эткин B.C., РЭП, 1959,№17,3.68. duinkler s. phylips bes. repts.,i958,vol 13,n.i,p.37^78.69. duinkler s. phylips res.repts.,1958,vol.13,n.2,p.i0i,i48.

35. Заде Л. ТЙРЙ, 1961, ч.1, т.49, Щ0,1731.

36. Эткин В.С.,Известия ВУЗ'ов, Радиофизика, 1964,т.7.

37. Селиваненко Н.Е.,Труды второй межвузовской конференции пед.институтов по радиофизике и спектроскопии. М., "Сов. радио", 1966.

38. Полупроводниковые параметрические усилители и преобразо -ватели СВЧ. Под ред. Эткина В.С.,М.,Радио и связь, 1983.

39. Мэзон С.,Циммерман Г.,Электронные цепи, сигналы и системы.

40. Пер. с англ.,М., ИЛ, 1963.

41. Аверин E.H., Степанов К.Г.Дапин Ю.Б.,Эткин B.C. Радиотехника и электроника, 1978, ХХШ,М, 97-101.

42. Степанов К.Г. Радиотехника, 1979, т.34,М, 63-65.77. robert h.f., david r.w.ieee trans., i98i,mtt-=29, n.4,344=347.

43. Степанов К.Г.Дапин Ю.Б.,Эткин B.C. П Всесоюзный Симпозиум по мм- субмиллиметровым волнам. г.Харьков, 1978, т.2, стр.55*.

44. Блекуэлл A.A., Коцебу К.А. Параметрические усилители на полупроводниковых диодах. М., Мир, 1964.

45. Крейнгель . Измерение шумов.

46. Ван дер Зил. Шум, источники, описание, измерение. М.,Сов. радио, 1973.

47. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение. Под ред. Уотсона. Пер. с англ. под ред. Эткина В.С.,М., Мир, 1972.

48. Степанов К.Г., Хапин Ю.Б., Эткин B.C. П Всесоюзный симпо -зиум по мм-субмиллиметровым волнам. г.Харьков, 1978. т.2, стр.

49. Степанов К.Г., Хапин Ю.Б.,Эткин B.C. Ш Всесоюзный симпозиум по мм и субмиллиметровым волнам. Тезисы докладов, т.1, г. Горький, ИПФ АН СССР, 1980г.

50. Анискович В.М.,Степанов К.Г.,Хапин Ю.Б.,Эткин B.C. Х1У Всесоюзная радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов, г.Ереван, ИРЭ А СССР, 1982, стр. 82-83.

51. Гассанов Л.Г.,Забышный А.И.,Семин А.Г.»Степанов К.Г., Черный Б.С.,Хапин Ю.Б., Эткин B.C. Девятая Всесоюзная конференция по электронике СВЧ: Тез. докл. Киев, К1Ш, 1979, т.2, стр. 82-83.

52. Гречко С.И., Бордонский Г.С.,Степанов К.Г., Хапин Ю.Б., Эткин B.C. Всесоюзная радиоастрономическая конференция по аппаратуре, антеннам и методам: Тез. докл. Ереван, АН Арм. ССР, 1978, стр. 94-95.

53. Забышный А.И., Степанов К.Г., Хапин Ю.Б.,Эткин B.C. Известия БУЗ'ов Радиофизика, 1980, т.23, М, с. 419.

54. Анискович В.М., Степанов К.Г., Хапин Ю.Б., Эткин B.C. Х1У Всесоюзная радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов, г. Ереван, АН А ССР, 1982г., с.82-83.

55. Каневский Б.З., Корогод В.В., Косов А.С., Немлихер Ю.А., Руковицын А.Ф., Скулачев Д.П.,Струков И.А., Ш.Всесоюзный симпозиум по мм и субмиллиметровым волнам, г. Горький, 1980г., стр. 142.

56. Струков И.А., Скулачев Д.П. Письма в астрономический журнал, 1984, т. 10, М, 3-14.92. raisonen a.v. etal. -г ieee£lith int. conf. on infrared and millimeter waves digest, miami beach, 1981.