Прототипы ячейки для приемника радиосвета

Рассмотрим возможности приборов, которые во введении упоминались как наиболее близкие по своим функциональным свойствам к чувствительному элементу для радиосвета.

В радиометрических приемниках напряжение на входе, создаваемое приходящим от источника излучением, по своей интенсивности значительно меньше напряжения, создаваемого тепловым шумом.

Мощность шумов приемника W рассчитывается по формуле

, (2)

где -постоянная Больцмана; - температура приемника; – рабочий диапазон частот.

При воздействии внешнего излучения шумовая температура приемника радиометра будет

, (3)

– добавка от излучения внешних источников.

Пороговая чувствительность радиометра – мощность сигнала на входе приемной системы, при которой на его выходе мощность сигнала равна мощности шума в заданной полосе частот.

В общем виде чувствительность радиометров δT определяется формулой [5,6]:

, (4)

где b -коэффициент, зависящий от типа приемника; - время накопления сигнала.

Наиболее известны и распространены два типа радиометров компенсационный и модуляционный.

Компенсационный радиометр. В компенсационном приёмнике (рис. 8) сигнал после антенной системы попадает на вход усилителя, который усиливает сигнал до уровня, достаточного для подачи на вход квадратичного детектора. На выходе квадратичного детектора среднее значение сигнала линейно зависит от мощности входного сигнала [4]. Из-за тепловых шумов радиометра, на выходе радиометра всегда имеется сигнал с постоянной составляющей. Для лучшей регистрации постоянной составляющей, после детектора используется фильтр нижних частот.

Рис 8. Структура компенсационного радиометра.

А – антенна, У – усилитель, Д – квадратичный детектор, ФНЧ – фильтр нижних частот, К – компенсатор.

Добавка входного сигнала от внешнего излучения, как правило, намного меньше постоянной составляющей сигнала, создаваемой нам выходе собственным тепловым шумом. Для того чтобы зарегистрировать эту добавку используется блок, формирующий постоянное напряжение, значение которого равно значению постоянного напряжения на выходе радиометра при отсутствии внешнего сигнала. Этот сигнал вычитается из сигнала на выходе ФНЧ (рис. 1). Теоретическая достижимая чувствительность для данного радиометра равна [4,16]:

, (5)

где = полоса фильтра нижних частот, TN
шумовая температура усилителя. Однако проблемой радиометров компенсационного типа является нестабильность коэффициента усиления, которая затрудняет получение предельных характеристик по чувствительности.

Модуляционный радиометр. Для того что бы избавится от шумов, обусловленных нестабильностью усилителя, используется структура приемника, с периодическим отключением антенны от усилительного тракта (рис.9).

Рис. 9. Структура модуляционного радиометра.

А – антенна, Кл – ключ, У – усилитель, Д – квадратичный детектор, ПФ – полосовой фильтр, СД – синхронный детектор, ФНЧ – фильтр нижних частот, СН – согласованная нагрузка, ГОС – генератор опорного сигнала

Приемник модуляционного радиометра включает в себя: антенну, модулятор (ключ и генератор опорного сигнала), РЧ усилитель, эталонную согласованную нагрузку, квадратичный детектор, полосовой фильтр, синхронный детектор, фильтр нижних частот. Шумовая температура эталона – согласованной нагрузки подбирается близкой к антенной температуре.

На вход модулятора может подаваться один из двух сигналов: с антенны или с согласованной нагрузки. Модулятор последовательно переключает вход приемника к антенне и к эталону. Частота переключения подбирается таким образом, чтобы за один период переключения коэффициент усиления не мог существенно измениться.

После квадратичного детектора сигнал попадает в полосовой фильтр, на выходе которого получается меандр, с амплитудой, определяемой разницей температур принимаемого информационного сигнала и тепловых шумов эталона. Дальше в синхронном детекторе происходит перемножение контролирующего модулятор сигнала с полученным на выходе полосового фильтра сигналом, в результате чего на выходе получается непрерывный постоянный сигнал, амплитуда которого зависит от информационного сигнала. Теоретически достижимая разрешающая способность модуляционного радиометра равна

(6)

Энергетический приемник. Энергетический приемник для сверхширокополосных радиоимпульсов (рис. 10) по своей структуре похож на компенсационный радиометрический приемник (рис. 1). Однако используемое в нем время накопления, как правило, значительно меньше, чем в компенсационном приемнике и составляет от десятков до сотен наносекунд.

Рис. 10. Структура энергетического приемника.

А – антенна, У – усилитель, ЛД – логарифмический детектор, ФНЧ – фильтр нижних частот, К – компенсатор.

Это предполагает, в том числе, значительное превышение мощности, поступающего от внешних источников излучения над мощностью тепловых шумов. Поэтому схема компенсации в энергетическом приемнике отсутствует. Кроме того, такой приемник должен работать в условиях большого динамического диапазона мощности принимаемого сигнала. Большой динамический диапазон приемника реализуется либо за счет применения усилителя с автоматической регулировкой усиления, либо за счет применения детектора огибающей логарифмического типа, также фактически автоматически компенсирующий широкий диапазон мощностей входного сигнала.