РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО СЕЧ Советский патент 1967 года по МПК H04B1/16 H03F7/04 H03F19/00 

Известны радиоприемные системы СВЧ, в которых для получения максимальной чувствительности в качестве входното усилителя используется квантовый парамагнитный усилитель, охлажденный до температуры лсидкого гелия. В таких системах чувствительность ограничена шумами элементов, включенных до усилителя (отрезки фидера, фильтры, разрядники, циркуляторы и фазовращатели) и присоединенных к его выходу (второй каскад усилителя, преобразователь частоты, УПЧ). Повышение защиш,енности входа системы ог сигналов помех, достигаемое увеличением количества резонансных объемов (или величины их добротности в нагруженном состоянии), приводит к дальнейшему росту собственных шумов. Кроме того, узкая полоса пропускания, недостаточно высокая стабильность работы, сравнительно большие габариты и невозможность получения в наземной и бортовой аппаратуре предельно возможной чувствительности и избирательности, ограниченных лишь шумами самой антенны, являются основными недостатками известных радиоприемных систем. В этих устройствах ограничена также стабильностью частоты и выходная мощность СВЧ генераторов (гетеродинов, генераторов накачки), невысоких к.п.д.

тов возможно только в результате их глубокого охлаждения ( ниже 196°К). Однако при известных принципах конструирования, когда каждый элемент СВЧ тракта, изготовленный,

как правил ; с применением волноводов, выполняет только одну функцию, что и приводит к большому числу этих элементов, габариты и вес СВЧ приемных систем вдоль велики, что охладить их практически невозможно.

Кроме того, большинство из известных СВЧ приборов обеспечивает свои характеристики лишь в узком температурном интервале 15- 20°С и при охлаждении теряет работоспосо ность. В то же время при низких температуpax проявляется значительное число специфических явлений в твердом теле (сверхпроводимость, зависимость поверхностного имтюданса сверхпроводника в диапазоне СВЧ от напряженности магнитного поля, увеличение

подвижности носителей в полупроводнике, увеличение нелинейности вольтамнерной характеристики идеального Я-перехода, увеличение магнитной энергии ферритов, увеличение теплопроводности и т. д.), которые не

только позволяют устранить тепловые шумы и термонестабильность, но и резко улучшить остальные параметры: уменьшить потери многорезонаторных устройств, увеличить добротность колебательных контуров усилителей, лей, дробовые шумы, сопротивление потерь активных элементов, увеличить усиление, К.П.Д.. мощность и стабильность генераторов накачки и гетеродинов. В предложенном устройстве комплексно использованы перечисленные свойства твердого тела при низких температурах и новых низкотемпературных материалах, а также применена многофункциональность при построении отдельных элементов. В зависимости от шумовой температуры антенны, ставящей предел чувствительности, устройство может быть выполнено либо на уровне охлаждения ниже температур, при которых может возникнуть сверхпроводимость критических температур, либо на уровне охлаждения выще максимальных критических температур сверхпроводимости. На фиг. 1-5 показаны отдельные части предложенного устройства. Для получения предельно возможных чувствительности, избирательности при широкой полосе пропускания весь приемный СВЧ тракт выполнен в виде единой конструкции с кожухом-криостатом 1, внутри которого размещена цепочка связанных пассивных сверхпроводящих резонаторов 2, с помещенным в одном из них намагниченным ферритовым образцом 3, имеющим малую ширину линии ферромагнитного резонанса и малую величину угла диэлектрических потерь при заданном уровне охлаждения, намагниченных ферритовых резонаторов 4 и активных сверхпроводящих резонаторов 5. В резонаторах установлены параметрический диод 6, парамагнитный кристалл 7 и смесительные диоды 8, соединенные с полупроводниковым предварительным УПЧ 9. Для автоподстройки частоты генератора накачки to и гетеродина 11 применены отдельные сверхпроводящие резонаторы 12, а в тракте накачки парамагнитного кристалла установлены полупроводниковый аттенюатор 13, выключающий накачку при увеличении входного сигнала до порога насыщения кристалла, а на указанной цепочке резонаторов установлен вентиль 14. Источник питания /5 и пульт 16 дистанционного управления рачмещаются вне криостата. Наличие сверхпроводящих резонаторов, находящихся под воздействием электромагнитного поля накачки, в усилителях приводит к появлению параметрической регенерации, дополнительной к основному механизму усиления. Это позволяет значительно улучшить характеристики устройства, и прежде всего, увеличить ее полосу пропускания. Наличие сверхпроводящих пассивных резонаторов, связанных с активными, позволяет придагь фильтрам усилительные свойства в широкой полосе с заданной неравномерностью. Для обеспечения надежности работы входных каскадов при воздействии сильных помех, а также электрической перестройки и устранения шумов фидера при одновременной миниатюризации в качестве резонаторов использованы непосредственно связанные электролитически полированные резонансные диафрагмы, в малом емкостном зазоре которых установлены шайбы из низкотемпературной сегнетокерамики. Входной резонатор имеет разрядный промежуток, заполненный веществом с малым временем восстановления при низких температурах (например, полупроводник, в котором возникает ударная ионизация примесей). В СВЧ генераторах использованы объемные явления в охлажденных полупроводниках, а внутренняя поверхность криостата, в который помещена вся система, служит СВЧ антенной и имеет форму, соответствующую конфигурации рабочей поверхности СВЧ антенны рабочего диапазона волн, и электрически соединена с указанным входным .резонатором. Для обеспечения сверхвысокочувствительного многоканального приема на одну антенну с передатчиком при малых габаритах, весе и малом потреблении энергии помещенная в криостат высокочастотная часть устройства, изображенного на фиг. 2, представляет собой герметичный охлажденный блок, в котором полосовой фильтр 17 развязки приемника от передатчика выполнен на резонаторах малого поперечного сечения с сильной кондуктивной связью и подключен к первому плечу Xциркулятора 18, у которого смежные плеч; не имеют между собой гальванической связи. Многорезонаторный параметрический усилитель 19, подключенный ко второму плечу лциркулятора, выполнен на коаксиальной трубке с реактивными неоднородностями, в которой установлен параметрический диод из полупроводникового материала, и.меющего высокую проводимость при заданном уровне охлаждения. В тракте разностной частоты усилителя включена «на проход охлажденная нагрузка - вентиль 20 с выходным фланцем 21 для обеспечения возможности подключения смесителя при одновременной работе усилителя в двух режи.мах: «на отражение и «на проход с преобразованием частоты. Напряжение смещения на диод подается с противоположного плеча циркулятора по центральному проводнику через коаксиальную нагрузку 22 с емкостным контакто.м по внешней оболочке, а в тракте накачки усилителя установлен двухконтурный фильтр 23, одна из резонансных диафрагм которого содержит полупроводниковый переход-аттенюатор, находящийся под воздействием внешнего напряжения. Разделение стволов приема осуществлено вне криостата в полосе частот, пропускаемых охлажденным блоком, а режекторные фильтры 24 с подключенным к облучателю антенны 25 тройником, обеспечивающие дополнительную развязку приемника от передатчика, соединены с указанным полосовым фильтром коротким отрезком коаксиальной линии. Нодключение однотактного охлажденного смесителя 26 к Х-циркулятору производится через полосовой фильтр 27, а гетеродина // - через режекторный фильтр 24.

Для обеспечения широкополосного сверхвысокочувствительного приема в коротковолновой части диапазона СВЧ предлагается в качестве входного устройства - смеситель 28 (фиг. 3), на полупроводниковом диоде у которого при понижении температуры нелинейность вольтаМперной характеристики возрастает по экспенциальному закону. На входе смесителя расположен фильтр 29. Выход смесителя подключен по всиомогательной промежуточной частоте ко входу параметрического усилителя-преобразователя 30, присоединенного через вентиль и фильтр 31 ко второму смесителю 32, имеюодему выход 33 промежуточной частоты системы, причем нитание обоих смесителей и параметрического усилителя-преобразователя осупдествлено от одного генератора 34.

С целью обеспечения сверхвысокочувствптельного приема на различных рабочих волнах в широком диапазоне частот и устранения отдельного тракта накачки при использовании неохлаждаемых генераторов СВЧ колебаний, устройство содержит разветвитель .35 (фиг. 4), одно плечо которого имеет выход из криостата, а другие плечи выполнены в виде коаксиальных трубок 36 по числу рабочих участков приема с резонаторами в каждой трубке, где последний резонатор посредством установки в него намагниченного ферритового образца и поперечным коаксиальным отрезком образует циркулятор, к плечу которого подключен параметрический усилитель. Усилитель представляет собой коаксиальный фильтр с параметрическим диодом, выполненным из полупроводникового материала с узкой запрещенной зоной и малой эффективной массой носителей. Выходы всех циркуляторов через резонаторы, настроенные соответственно принимаемым участкам волн, нодключены ко входу широкополосного параметрического усилителя 37, работающего на «отражение с отдельным циркулятором и использующего диод, у которого при понижении температуры диффузионная емкость экспоненциально возрастает в области малых токов, причем в качестве волновода накачки указанных усилителей использована, например, внутренняя полость 38 центрального проводника 39 входной линии 40, как это показано на фиг. 5.

В качестве вторых каскадов усиления может быть использован усилитель на туннельном диоде, если его выполнить из сильно легироваиного сурьмянистого индия InSb. арсенида индия InAs или относительно слабо легированного германия.

Предмет изобретения

1. Радиоприемное устройство СВЧ, отличающееся тем, что, с целью получения предельно возможной чувствительностн и избирательности при широкой полосе пропускания, приемный СВЧ тракт выполнен в виде единой конструкции с кожухом-криостатом, внутри которого ра; мещена цепочка связанных пассивных сверхпроводящих резонаторов, в одно.м из которых размещены феррит, намагниченные ферритные резонаторы н ряд активных сверхпроводящих резонаторов, в которых установлены параметрический диод, парамагнитиый кристалл и смесительные диоды, соединенные с предварительным УПЧ, причем в цепь автонадстройки частоты генератора накачки, общего для сверхпроводящих активных резонаторов с параметрическим диодом и

0 парамагнитным кристаллом, и гетеродина включены отдельные сверхпроводящие резонаторы, а в тракте накачки парамагнитного кристалла установлен полупроводниковый аттенюатор, соединенный через усилительный

5 элемент с детектором.

2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью обеспечения надежности работы всех входных каскадов при воздействии сильных помех, а также электрической перестройки и устранения шумов фидера при одновременной миниатюризации блоков, в качестве резонаторов использованы непосредственно связанные полированные резонансные диафрагмы, в емкостном зазоре которых установлены сегнетокерамнческие конденсаторы, причем входной резонатор имеет разрядный промежуток, заполненный веществом с малым временем восстановления проводимости при сверхнизких температурах.

3.Устройство но п. 1, отличающееся тем, что внутренняя поверхность криостата использована в качестве антенны СВЧ и имеет конфигурацию, соответствующую конфигурации рабочей поверхности антенны СВЧ в диапазо5не принимаемых волн, и электрически соединена с указанным входным резонатором при помощи отрезка линии.

4.Устройство по п. 1, отличающееся тем что помещенная в криостат высокочастотная

0 часть представляет собой герметичный охлажденный блок, в котором полосовой фильтр развязки приемника от передатчика выполнен на резонаторах с сильной связью и подключен к плечу Х-циркулятора, не имеющему

5 гальванической связи со смежными плечами; многорезонаторный параметрический усилитель выполнен на коаксиальной трубке с реактивными неоднородностями, в которой установлен параметрический диод, причем в трак0те разностной частоты усилителя включена «на проход охлажденная нагрузка (предпочтительно, ферритовый вентиль) с выходным фланцем для подключения смесителя при одновременной работе усилителя «на отраже5ние и «на проход с преобразованием частоты; напряжение смещения на диод подано с противоположного плеча циркулятора по центральному проводнику через коаксиальную нагрузку с емкостным контактом по

0 внешней оболочке, а в тракте накачки усилителя установлен аттенюатор на полупроводниковом диоде; разделение стволов приема осуществлено вне криостата по промежуточной частоте, а режекторные фильтры с тройником, обеспечивающие дополнительною развнз.7 ку приемника от передатчика, соединены с указанным полосовым фильтром коротким отрезком коаксиальной линии. 5.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве входного устройства, расположенного в криостате, применен смеситель на полупроводниковом диоде, выход которого по вспомогательной промежуточной частоте подключен ко входу параметрического усили геля-преобразователя, присоединенного ко второму смесителю, причем питание обоих смесителей и. усилителя-преобразователя осуществлено от одного генератора. 6.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью обеспечения сверхвысокочувствительного приема в широком диапазоне частот и устранения отдельного, тракта качки при использовании неохлаждаемых генераторов СВЧ колебаний, оно содержит разветвитель, одно плечо которого имеет выход из криостата, а другие илечи выполнены в виде коаксиальных трубок по числу рабочих участков приема с резонаторами в каждой трубке, причем последний резонатор путем установки в него намагниченного ферритового образца совместно с поперечным коаксиальным отрезком- образует циркулятор с подключенным к нему параметрическим диодом, выполненным из полупроводникового материала с узкой запрещенной зоной и малой эффективной массой носителей и образующим совместно с коаксиальным фильтром параметрический усилитель; выходы всех циркуляторов через резонаторы, настроенные соответственно принимаемой полосе частот, подключены ко входу широкополосного цараметрического усилителя, работающего «на отражение с отдельным циркулятором и использующего диод; в качестве волновода накачки указанных усилителей использована внутренняя цолость центрального проводника входной линии.

8J