Малошумящий усилитель

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в СВЧ радиоприемных устройствах, в частности во входных усилителях радиочастоты, в измерительной технике.Известно устройство, содержащее усилитель диапазона СВЧ 1. Данный усилитель может быть спроектирован по двум методам согласования с источником сигнала в первом случае критерием служит минимальная величина входного коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) (так называемое согласование по мощности 1) во втором случае критерием служит минимальная величина коэффициента шума (КШ) усилителя (так называемое согласование по шумам 1). В общем случае указанные условия согласования не совпадают,таким образом недостатком устройства является невозможность одновременного Достижения малого входного КСВН и минимально возможного для используемых усилительных приборов КШ. Проблема особо остро стоит при проектировании высоколинейньвс усилителей Применение мощных усилительных приборов (транзисторов) приводит к увеличению КШ устройства по сравнению с усилителями, построенными на менее линейных ьталощумящих транзисторах, которые, однако, не обеспечивают необходимой линейности усилителя 2.Известно устройство, содержащее усилитель 4, рис.12. 3.Выход усилителя является выходом устройства, вход усилителя соединен с выходом ферритового вентиля, вход которого является входом устройства. Отраженные от входа усилителя сигналы поглощаются в ферритовом вентиле, являющемся однонаправленным элементом, таким образом обеспечивается малая величина входного КСВН устройства независимо от согласования в сечении выход ферритового вентиля вход усилителя. Вследствие этого усилитель может быть согласован по шумам, что обеспечит минимально Возможный для использованного усилительного прибора КШ устройства. Однако, подобно предыдущему случаю, данное решение не может уменьшить КШ устройства ниже КШ исходного усилителя, Известно устройство, содержащее последовательно соединенные ферритовый циркулятор вход которого является входом устройства и сигнал в котором передается в направлении вход - первый выход - второй выход, и усилитель 1. Со вторым выходом ферритовый ЦИРкулятора соединена согласованная нагрузка, выходом устройства является выход усилителя. ферритовый циркулятор в данном случае включен в режиме вентиля и предназначен для передачи отраженных от входа усилителя сигналов на согласованную нагрузку. Это позволяет согласовать усилитель по шумам и одновременно обеспечить малую величину входного КСВН устройства и минимально возможный КШ. Недостатком устройства является невозможность снижения ниже минимально возможного КШ используемого в усилителе усилительного прибора (транзистора).Наиболее близким к заявляемому является устройство З, содержащее последовательно соединенные первый направленный ответвитель (НО), вход которого является входом устройства, первый усилитель (первое мощное усилительное звено (373, второй НО и первую согласованную нагрузку (СН), а также вторую СН и второй усилитель (второе мощное УЗ),идентичный первому, вход которого соединен со вторым выходом первого НО. а Выход - со вторым входом второго НО. Со вторым входом первого НО соединена вторая СН, выходом устройства является второй вьокод второго НО. Свойства НО таковы, что если оба выхода первого НО нагружены на одинаковые импедансы, то отраженные от них волны суммируются в фазе и рассеиваются на второй СН, даже если данные импедансы варьируются от Короткого замыкания до холостого хода. Оба усилителя ( мощные УЗ) согласованы по шумам,что позволяет обеспечить минимально возможный КШ устройства, равный КШ отдельного усилителя(мощного УЗ) а так как усилители (мощные УЗ) идентичны, то их входные импедансы соответственно одинаковы и отраженные от них сигналы не поступают на первый вход первого НО, т.е на вход устройства. Таким образом в устройстве одновременно достигаются малая величина входного КСВН и минимально возможный КШ. Однако подобное решение не может уменьшить КШ устройства ниже КШ исходных усилителей (мощных УЗ). Причем особо остро проблема стоит в устройствах, к которым предъявляются Повышенные требования к линейности (верхней границе динамического диапазона).Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в улучшении шумовых свойств (снижении КЩ) устройства при сохранении преимуществ, обеспечиваемых применением на входе НО и параллельного по входному сигнату включения идентичных усилителей (мощных УЗ), а именно - малая величина входного КСВН устройства в Широком диапазоне частот.Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в увеличении динамического диапазона устройства за счет уменьшения нижней его границы(улучшения шумовых свойств - снижения КШ) при неизменной верхней границе и сохранении положительных свойств устройства-прототипа (малая величина входного КСВН).Решение поставленной задачи достигается тем, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные первый НО, вход которого является входом устройства, первое мощное У 3 второй НО и первую СН, а также вторую СН и второе мощное УЗ, идентичное первому, вход которого соединен со вторым выходом первого НО, а выход - со вторым входом второго НО, дополнительно введены последовательно соединенные малощмящее УЗ, фазовращатель (ФВ) и третий НО, к выходу которого подключена вторая СН, причем вход малошумящего УЗ соединен со вторым входом первого НО, второй вход третьего НО соединен со вторым выходом второго НО, а второй его выход является выходом устройства.Сущность изобретения заключается в том, что Предложенное включение малоцгумящего УЗ, ФВ, третьего НО и второй СН позволяет компенсировать на выходе устройства часть шумов мощных УЗ, так что КШ устройства в идеальном случае будет в основном определяться КШ малошумящего УЗ. Вместе с тем остальные характеристики устройства ( коэффициент усиления, нелинейные искажения т.е. верхняя граница динамического диапазона) по-прежнему определяются мощными УЗ. Из принципа работы НО 6 следует, что при согласовании по импедансу в сечениях первый выход первого НО - вход первого мощного УЗ и второй выход первого НО - вход второго мощного УЗ весь входной сигнал устройства поступает на входы мощных УЗ, первый и второй входы первого НО оказываются развязанными. Таким образом малошумящее УЗ не вносит вклада в нелинейные искажения и не влияет на коэффициент передачи устройства, поскольку на его вход не поступает входной сигнал устройства. Вследствие этого малошумящее УЗ может быть построено на маломощном усилительном приборе (транзисторе), обеспечивающем малый КШ УЗ в ущерб его линейности. Физический смысл снижения КШ заявляемого устройства заключается в следующем. Шумовые волны, отраженные от входа и выхода мощных УЗ, коррелированьт между собой(степень корреляции определяется величиной нормирования взаимной спектральной плотности мощности шума). Щумовая волна, отраженная от входа первого мощного УЗ, за счет свойств НО делится на две части и поступает на вход устройства (источник сигнала) и на вход малошумящего УЗ. С выхода малошумящего УЗ данная шумовая волна, усилившись,через ФВ поступает на третий НО, работающий в качестве сумматора. На второй вход третьего НО поступает шумовая волна, отраженная от выхода первого мощного УЗ, прошедшая через второй НО. При определенных соотношениях амплитуд и фаз коэффициентов передач по цепям вход первого мощного УЗ - первый НО - малошумящее УЗ - ФВ - третий НО и выход первого мощного УЗ - второй НО - третий НО происходит частичная компенсация шумов первого мощного УЗ. Все вышесказанное справедливо и для второго мощногоУ 3. Таким образом, шумы на выходе устройства представляют собой сумму шумов малошумящего УЗ и остатков шумов первого и второго мощных УЗ. При значительной разнице шумовых свойств мощных и малошумящего УЗ КШ заявляемого устройства может быть ниже КШ мощных УЗ и, соответственно, устройства-прототипа.На фиг.1 представлена структурная схема устройства-прототипа на фиг.2 - структурная схема заявляемого устройства на фиг.3 - принципиальная схема устройства, служащего примером конкретного исполнения структурной схемы фиг.2.На фиг.1 представлена структурная схема устройства-прототипа. Устройство содержит первый НО 1, первое мощное УЗ 2, второй НО 3, первую СН 4, второе мощное УЗ 5, вторую СН 6. Входом устройства является первый вход первого НО 1, первый выход которого соединен со входом первого мощного УЗ 2, второй выход со входом второго мощного УЗ 5,второй вход - со второй СН 6. Первый вход второго НО 3 соединен с выходом первого мощного УЗ 2, второй вход с выходом второго мощного УЗ 5, первый выход - с первой СН 4, а второй выход является выходом устройства.Согласно 5, КШ УЗ при оптимальном согласовании по шумам с источником сигналат д- нормированная спектральная плотность мощности шумовой волны, отраженной отвхода первого мощного УЗт ц- нормированная спектральная плотность мощности шумовой волны, ОТРЭ-ЖВННОЙ ОТвыхода первого мощного УЗтд- нормированная взаимная спектральная плотность мощности шумовых волн, отраженных от входа и выхода первого мощного УЗ. При использовании в качестве НО 1 и З квадратурных трехдецибельных (равноплечих) на правленных ответвителей Б-параметры которых /6/13 24 (1/Л)е где Б-параметры НО даны с учетом нумерации выводов на фиг.1 и фиг.2 а также при идентичности первого и второго мощного УЗ, т.е.На фиг.2 представлена структурная схема заявляемого устройства. малошумящий усилитель содержит первый НО 1, первое мощное УЗ 2, первый НО 3, первую СН 4, второе мощное УЗ 5, малошумящее УЗ 6, ФВ 7, второй НО 8 и вторую СН 9. Входом устройства является первый вход первого НО 1, первый выход которого соединен со входом первого мощного УЗ 2, второй выход - со входом второго мощного УЗ 5, а второй вход - со входом малошумящего УЗ б. С первым входом второго НО 3 соединен выход первого мощного УЗ 2,со вторым входом - выход второго мощного УЗ 5, с первым выходом - первая СН 4, а со вторым выходом - первый вход третьего НО 8. С выходом малошумящего УЗ 6 соединен Вход ФВ 7, выход которого соединен со вторым входом третьего НО 8. Первый выход Третьего НО 8 соединен со второй СН 9, а второй выход является выходом устройства.Входной сигнал поступает на первый вход первого НО 1, в котором он делится на две Части и поступает на входы первого мощного УЗ 2 и второго мощного УЗ 5. С выходов обоих мощных УЗ 2 и 5 усиленные сигналы поступают соответственно на первый и второй входы второго НО 3, где суммируются. Со второго выхода второго НО 3 сигнал поступает на первый вход третьего НО 8, а с его второго выхода - на выход устройства. При идентичности входных импедансов мощных УЗ 2 И 5 входной сигнал устройства не поступает на второй вход первого НО 1 и, соответственно, на вход малошумящего УЗ б. Таким образом малошумящее УЗ б не усиливает входной сигнал устройства, не влияет на его коэффициент передачи И не вносит нелинейных искажений. Шумы на выходе устройства представляют собой сумму пяти слагаемых- шумовая волна, отраженная от выхода первого мощного УЗ 2 и прошедшая через второй НО 3 и третий НО 8- шумовая волна, отраженная от входа первого мощного УЗ 2 и прошедшая через первый НО 1, малошумящее УЗ б, ФВ 7 и третий НО 8- шумовая волна, отраженная от выхода второго мощного УЗ 2 и прошедшая через ВТОрой НО 3 и третий НО 8- Цгумовая волна, отраженная от входа второго мощного УЗ 2 и прошедшая через первый НО 1, малошумяшее УЗ б, ФВ 7 и третий НО 8шумовая волна, отраженная от выхода малошумящего УЗ 6 и прошедшая через ФВ 7 и третий НО 8.Первая и вторая СН 4 и 9 не вносят вклада в выходной шум устройства вследствие развязки(нулевой передачи) выходов НО /6/. При определенных соотношениях амплитуд и фаз коэффициентов передач по цепям вход первого мощного УЗ 2 - первый НО 1 - малошумящее УЗ б ФВ 7 - третий НО 8 и выход первого мощного УЗ 2 - второй НО 3 третий НО 8 Происходит частичная компенсация шумов первого мощного УЗ 2 на выходе устройства. Всевышесказанное справедливо и для второго мощного УЗ 5. Таким образом, шумы на выходе устройства представляют собой сумму шумов малошумящего УЗ 6 и остатков шумов первого и второго мощных УЗ 2 и 5.КШ заявляемого устройства равен (при условии полного согласования по импедансам во всех сечениях)8 с) Бчтараметры первого НО (с учетом нумерации выводов на фиг.2) 3 3) - з-парамегры второго НО (с учетом нумерации выводов на фиг.2)5 Е - З-параметры третьего НО (с учетом нумерации выводов на фиг.2)ТБ) - НОРМИРОВЗННДЯ СПСКГРЗЛЬНЕЯ ПЛОТНОСТЬ МОЩНОСТИ ШУМОВОЙ ВОЛНЫ, ОТРЗЭКБННОЙ ОТвьвсода малошумящего УЗ. При использовании квадратурных равноплечш НО с параметрами (2) и без учета потерь в ФВ КШ заявляемого устройства равен1 2 в 1 Ш 2 т за т заказа инее 5 л 55 ее в Щ (5) 351 Минимум КШ заявляемого устройства достигается при следующих условиях 1 шЕ 58525 еж. е а 2 СРазность в КШ заявляемого устройства и с устройства-прототипа равнаКак следует из (9), выигрыш в КШ заявляемого устройства по сравнению с устройствомпрототипом достигается при выполнении следующего условияНа фиг.3 представлена принципиальная схема устройства, служащего примером конкретного исполнения структурной схемы фиг.1. Первый НО 1 выполнен в виде квадратурного равноплечего направленного ответвители на несимметричных микронолосковьтх линиях (НМПЛ) А 1 второй и третий НО 3 и 8 аналогичные, соответственно А 2 и АЗ. Первое мощное УЗ 2