ГЛАВА 17. МАЛОШУМЯЩИЕ УСИЛИТЕЛИ

17.1. УСТРОЙСТВА, ПИТАЕМЫЕ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ

17.1.1. Электронные лампы

Как хорошо известно, первые детекторы или смесители являются источниками дополнительных шумов. Следовательно, чувствительность приемников СВЧ обычно можно улучшить, если на входе приемника включить предварительный малошумящий усилитель. Если предварительный усилитель имеет усиление порядка 20—30 дб, то шумы, вводимые последующими каскадами, будут относительно малы. Такие усилители работают при малом уровне мощности и входной сигнал редко когда превосходит 1 мквт. В них может быть использован одиночный усилительный элемент в сочетании с объемным резонатором; для увеличения полосы пропускания (ценой снижения усиления) можно предусмотреть и дополнительные цепи. Дальнейшее увеличение полосы пропускания достигается путем использования большего числа усилительных элементов, и в пределе получается распределенная структура, или структура бегущей волны. Уровень избыточного шума современных усилителей СВЧ [577, 600, 658] может быть близок к нулю. В настоящем разделе рассматриваются усилители, питаемые от источников постоянного тока с использованием для усиления как электронных ламп, так и устройств на твердом теле.

Лампы с управлением по сетке являются распространенным средством для усиления на СВЧ и при соответствующих условиях позволяют получить низкий уровень шумов [339, 423]. На частотах вплоть до 1 Ггц часто применяются триоды или пентоды в триодном включении. Оптимальный коэффициент шума достигается при некотором рассогласовании входной цепи; степень требуемого рассогласования

уменьшается с возрастанием частоты. Установлено, что входной каскад с заземленным катодом, питающий каскад с заземленной сеткой (схема известна под названием каскадной), дает очень хорошие результаты на частотах вплоть до для более высоких частот более пригодна схема с заземленной сеткой. Если полоса пропускания достаточно узка и использованы цепи с малыми потерями, то шумовая температура усилителя равна

где для современных оксидных катодов равно примерно 6.

Так как вследствие влияния времени пролета электронов изменяется пропорционально квадрату частоты, то минимальная шумовая температура для таких электронных ламп прямо пропорциональна частоте. Например, триод имеет шумовую температуру 120 и 1200° К на частотах соответственно и Обычный триод со стеклянным цоколем [494] дает усиление порядка 10 дб на частоте при полосе пропускания коэффициент шума изменяется от 2 дб на до 12 дб на

Вполне удовлетворительными малошумящими усилителями СВЧ [520] оказались электронно-лучевые лампы с продольным взаимодействием. На шум, создаваемый пучком, оказывают влияние эмиссионные свойства катода [33, 493, 495], разброс тепловых скоростей [334], вторичная эмиссия электронов [338], фокусирующее магнитное поле [361, 472] и явление распределения [365].

При соответствующем конструировании шум от этих источников можно сделать малым; в таком случае преобладающим является шум, вызываемый флюктуациями плотности тока и скорости эмиссии [259]. Флюктуации на входном конце электронного пучка возбуждают волны пространственного заряда; разработано несколько теорий, рассматривающих пучок как линию передачи [50, 199, 367, 464]. Более точные результаты были получены [33, 364, 406, 407, 490, 491] при учете эффекта сглаживания флюктуаций тока вблизи минимума потенциала. Было показано [341, 342], что шум, определяемый эмиссией катода, периодически меняется вдоль пучка. Если шумовые токи, то

где А — постоянная, близкая к единице. Распределение шумов складывается из двух некоррелированных распределений стоячих волн, возникающих вследствие флюктуаций тока и скорости. Если их максимумы, а минимумы равны нулю, то

где пространственный сдвиг фаз. Этот анализ подтверждают экспериментальные данные [121], приведенные на рис. 17.1, а. Уравнение (17.2) является частным случаем теоремы [190], которая устанавливает, что произведение максимума шумового тока на

минимум вдоль дрейфующего пучка, умноженное на постоянное волновое сопротивление, инвариантно по отношению к произвольным трансформациям импеданса и равно произведению начальных амплитуд некоррелированных возбуждающих шумовых тока и напряжения.

Рис. 17.1. Шумы в ЛБВ: а — изменение мощности шума вдоль луча; б - ослабление шума в лампе с оптимальной длиной пролета; в — дальнейшее ослабление шума за счет резкого скачка скорости. (См. [1 21, 474].)

Проведена оценка теоретически минимального коэффициента шума для электронно-лучевых трубок [194, 198, 200, 271, 272, 366, 639]. Если бы равнялся нулю, то шум лампы также равнялся бы нулю. Более высокая шумовая температура возникает [49] вследствие отсутствия корреляции между первичным шумовым током и флюктуациями скорости пучка. Делая некоторые допущения относительно скорости флюктуаций тока в точке минимума потенциала и предполагая, что преобразование, осуществляемое пучком, не вносит потерь, находим, что шумовая температура равна

как было показано в работе [343], при практических значениях параметров минимальный коэффициент шума получается порядка 6 дб. В работе [476] приведены довольно точные данные для длинноволновой части диапазона СВЧ, а ряд других авторов [444, 447] показывает, что для частной геометрии лампы коэффициент шума будет зависеть от частоты.

Разработан ряд методов [505] для уменьшения шума пучка. Можно достичь некоторого ослабления шумов, помещая на входе системы на некотором критическом расстоянии замедляющую структуру, как показано на рис. 17.1, б. Дальнейшее улучшение может быть получено [174] при использовании пролетных цилиндров, находящихся под различными постоянными потенциалами. При правильном выборе длин и расположения секций получающееся изменение полного сопротивления может привести к подавлению шумов.

Этот метод проиллюстрирован на рис. 17.1, б, причем потенциал первого пролетного цилиндра повышается скачком по отношению ко второму в том месте, где шумовой ток минимален. Положение второго цилиндра выбирается таким образом, чтобы между местом скачка потенциала и спиралью существовало критическое расстояние. Конструкция получается более гибкой [66] при использовании трех или большего числа отдельных анодов. При расчете следует принимать во внимание резкое изменение скорости, вызываемое скачками потенциала, которые действуют как сильные электронные линзы. Теория и эксперимент показывают [253], что наличие таких линз приводит к увеличению шума электронного пучка вследствие трансформации флюктуаций радиальной составляющей скорости во флюктуации осевой составляющей.

Недавно было установлено, что с помощью некоторых процессов [614] электронный пучок можно «охлаждать». Многочисленные вычисления [409] указывают на то, что механизм ослабления шумов действует в том случае, когда электронный пучок проходит некоторое определенное расстояние в области низкого потенциала, но для этого электронная пушка должна иметь соответствующую конструкцию [141, 255, 670]. Обнаружено [114, 118], что шумы электронного пучка можно уменьшить до небольшого значения, соответствующего чисто дробовому шуму, посредством изменения конфигурации поля и характеристик потока электронов в области разброса скоростей вблизи катода. Пучок от поверхности катода вводится в область сильно расходящегося электрического поля и формируется в области с искривленным потенциальным профилем, которая простирается и в зону низких скоростей, ниже 0,5 в. Эти особенности удовлетворяют физическим условиям, необходимым для реализации квазиодномерной модели, в которой трансформирующие свойства «многоскоростного преобразователя шума» можно изменять путем варьирования величины ускорения в этой области. Измеренные [316] значения избыточной шумовой температуры в таких пучках бывают довольно низкими, до 100° К.

В настоящее время получили широкое развитие лампы бегущей волны (ЛБВ) [7,65,215, 250, 319, 328,384,437] и разработаны методы создания малошумящих усилителей [193, 336, 385]. Первоначально ЛБВ работали на частотах в первом случае были получены следующие характеристики при токе пучка коэффициент усиления 16 дб, полоса пропускания и коэффициент шума 8 дб. Недавно разработанные лампы имеют значительно лучшие показатели. Один из промышленных образцов усилителя [242] работает при фиксированном напряжении в диапазоне частот и имеет коэффициент усиления 25 дб и коэффициент шума 6 дб. Применение [398] многоэлектродных пушек, которые обеспечивают низкий потенциал пространства дрейфа, дает возможность получить коэффициент шума 6,7 дб на частоте Экспериментальные лампы, у которых электронные пушки имели кольцевой катод, обладали коэффициентом шума 4,3 и 3,5 дб при напряженностях фокусирующего поля соответственно подобные лампы при частоте имели коэффициент шума 4,5 дб. Изучены условия работы усилителей при низком уровне шумов на лампах со скрещенными полями [470], двойными пучками [279] и с обратной волной (ЛОВ) [147, 161].

Предложены общие методы расчета усилителей последней группы с использованием круговой диаграммы полных сопротивлений [115]; показано и подтверждено на практике [116, 117], что лампы с малым напряжением обеспечивают оптимальный коэффициент шума и хорошие настроечные характеристики. Потери в цепях оказывают на малошумящие лампы ощутимое влияние [626]; например, коэффициент шума типовых ламп [669] можно уменьшить путем охлаждения спирали с 2,5 до 1,9 56; если бы сопротивление потерь было равно нулю, то коэффициент шума составлял бы 1,65 дб.

В клистронах более высокий уровень шумов получается вследствие неэффективности сглаживающего действия пространственного заряда, наличия значительных шумов из эффекта распределения токов и возможных колебаний пространственного заряда высших типов; кроме того, модуляция скорости при тепловой эмиссии преобразуется в модуляцию плотности как в резонаторе, так и в пространстве дрейфа.

Однако в последних работах показано, что при тщательном конструировании в клистронах можно добиться низкого уровня шумов [519, 544]. Отражательный клистрон привлек к себе внимание как усилитель с отрицательным сопротивлением [223, 224, 663, 665]; входной и выходной сигналы в нем разделяются с помощью гибридных систем или циркуляторов. Эксперименты показали, что например, лампа дает устойчивое усиление порядка 30—40 дб на частоте Максимальная выходная мощность почти равна выходной мощности клистрона в режиме генерирования колебаний. Обнаружено, что произведение коэффициента усиления по напряжению на полосу пропускания, как и для всех регенеративных усилителей, при частоте остается постоянным в широком

диапазоне изменений коэффициента усиления. Лампа на частоте дает усиление 16 дб [221]. Для получения низкого уровня шумов требуется точная электронная настройка и согласование полных сопротивлений; с отражательным клистроном были получены значения коэффициента шума 5 и 6,5 дб [225] при коэффициентах усиления соответственно 15 и 25 дб. Принципы создания малошумящих пушек были применены [368] к двухрезонаторным клистронам, и было получено совпадение с теорией [366]. Экспериментальные лампы на частотах имели коэффициент шума до 6,7 дб; для полосы коэффициент усиления составил 12 дб, а динамический диапазон 118 дб.