Материал: Радиоприемные устройства учебник.

электрического сопротивления под воздействием падающей на него энергии приходящих сигналов. Чувствительные элементы болометров, воспринимающих радиацию, выполняют, например, из полупроводни­ ковых материалов с большим температурным коэффициентом сопро­ тивления (германий и др.). Германиевый болометр обеспечивает чувствительность 5 • 10~13 -г 10-12Вт/Гц. Вследствие большой инер­ ционности (постоянная времени т ~ 4 • 10"4 с) применение тепловых приемников ограничено.

Другой важный тип приемника децимиллиметрового диапазона — детекторный приемник на сурьмянистом индии (InSb). Как будет

показано, в приемниках оптического диапазона широко используют полупроводниковые приборы с собственной или примесной прово­ димостью. Чувствительность таких квантовых приборов, принцип действия которых основан на фотоэлектрическом эффекте, меняется с изменением длины волны. Характеристики названных приемников

что в некоторых полупроводниках, охлаждаемых до низких темпера­ тур, возникает фотопроводимость в децимиллиметровом диапазоне и она стимулируется сильным магнитным полем. Таким почти единст­

частотами. На рис. 14.3 изображена схема приемника с объемным детекторным элементом из InSb с проводимостью n-типа. Нелинейные явления в таком детекторе основаны на увеличении проводимости по­ лупроводника благодаря повышению температуры свободных элект­ ронов, обусловленному поглощением падающей радиации чувстви­ тельным элементом. В рассматриваемой схеме сигнал поступает в вол­ новод и затем через повышающий согласующий высокочастотный

540

трансформатор (фильтр) к приемному элементу, расположенному в многоволновом резонаторе, что облегчает согласование потока излучения с приемным элементом (детектором). После детектирования сигнал поступает в усилитель. Охлаждаемый фильтр, применяемый для уменьшения фона окружающей среды, позволяет повысить чув­ ствительность приемника. Сильное магнитное поле создается сверх­ проводящими соленоидами. Для одного образца детектора на InSb

показывают возможность использования такого нелинейного элемента в преобразователях частоты.

Изложению сложных и многообразных вопросов техники милли­ метровых и децимиллиметровых воли посвящены монографии [], 21, а также ряд обзоров и статей, в том числе, сборник статей зарубежных ученых, содержащихся в специальном выпуске 15].

14.3. О приеме оптических сигналов

Системы оптического диапазона волн могут быть пассивные и ак­ тивные. Пассивные системы предназначены для приема естественного инфракрасного излучения от различных тел, температура которых отличается от абсолютного нуля. Подобно радиометрам они предназ­ начены для обнаружения объектов, измерения дальности до них, определения их температуры и др. Активные системы, использующие

В таких системах могут быть применены также некогерентные источ­ ники излучения (люминесцентные лампы и др.). Принцип действия ОКГ подобно квантовым приборам СВЧ основан на взаимодействии электромагнитного излучения с микрочастицами вещества. В на­ стоящее время создают ОКГ на газообразном и твердом веществах, в том числе на полупроводниковых диодах. Газовые ОКГ могут рабо­ тать в непрерывном и импульсном режимах и по сравнению с другими генераторами обеспечивают наиболее узкую линию излучаемых коле­ баний. Их излучением перекрывается наибольший участок спектра колебаний.

В результате разработки оптических квантовых приборов появи­ лась возможность реализации усиления оптической несущей и супер­ гетеродинного метода приема. Тем не менее на практике преимущест­ венно используют детекторные приемники, осуществляющие прямое некогерентное детектирование сигналов. Введение в схему приемника предварительного оптического квантового усилителя (ОКУ) способ­ ствует увеличению его чувствительности, особенно в случае значитель­ ного превышения внутренних флюктуаций приемника над уровнем внешних помех. ОКУ весьма широкополосны и обладают невысоким коэффициентом шума (N х 1—2 дБ) при полосе частот П « 100 МГц. Практическое осуществление супергетеродинного приема достаточно сложно и нуждается в разработке простых и надежных схем смещения двух световых потоков.

5'1

На рис. 14.4 изображена структурная схема передачи и приема информации оптического диапазона. В ней каскады, следующие за фотоприемником (детектором) являются обычными радиотехнически­ ми устройствами. Для передачи информации излучение ОКГ модули­ руется сигналом оптического модулятора. К основным характеристи­ кам таких модуляторов относятся широкополосность и линейность модуляционной характеристики. Различают внутренние и внешние методы модуляции. В первом случае модулирующий сигнал воздейст­ вует на параметры оптического резонатора (добротность, величину об­ ратной связи) или непосредственно на источник накачки, т. е. непо­ средственно на процесс генерации. При внешних методах, наиболее разработанных, модулирующий сигнал воздействует уже на сформнро-

т

Оптическая часть приемника

Рис. 14.4

ванное излучение генератора. В этом случае луч лазера пропускают через-специальную среду, параметры которой изменяются под дейст­ вием модулирующего сигнала.

Оптическая приемная система, как и передающая, представляет собой набор линз и других элементов. Она улавливает поток излуче­ ния и фокусирует его так, что облученность чувствительного элемента приемника оказывается больше облученности поверхности оптиче­ ской системы. Для повышения чувствительности устраняют мешающее действие излучения фона, применяя оптические фильтры. Ими служат пленочные интерференционные фильтры, обеспечивающие согласова­ ние спектральной области работы устройства с одним из атмосферных

Как уже отмечалось, в оптических системах широко применяют квантовые (фотонные) приемники. В таких приемниках, называемых фотодетекторами, е ы х о д н о й ток пропорционален мощности поступаю­ щих колебаний, и они воспроизводят только изменение амплитуды потока, поступающего на чувствительный элемент. В зависимости от характера взаимодействия излучения с веществом чувствительного элемента их делят на два класса: приемники с внешним фотоэффектом, работающие в ближней области ПК излучения и области видимого света, и приемники с внутренним фотоэффектом, обеспечивающие прием в более широком диапазоне колебаний. В приемниках с внеш­ ним фотоэффектом [фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) и др.) в ре-

642

зультате поглощения энергии облучения образуется поток свободных зарядов. В приемниках с внутренним фотоэффектом (фотосопротив­ ление, фотодиод и др.) при поглощении энергии облучения электроны изменяют свое энергетическое состояние, не покидая вещества; воз­ никающие свободные заряды могут перемещаться внутри вещества

иизменять его электропроводность или создавать фото-э. д. с.

Вобщем случае работу фотоприемника с внутренним или внешним фотоэлектрическим эффектом можно представить в виде трехступен­ чатого процесса (рис. 14.5, а). Здесь учитывается, что первоначально

оптическое излучение Р св создает в приемнике свободные носители

Вых

Рис. 14.5

зарядов, что характеризуется квантовой эффективностью rj. Кванто­ вой эффективностью называют, например, отношение числа фото­ электронов, вышедших из облучаемой поверхности фотокатодов при­ емников с внешним фотоэлектрическим эффектом, к числу поглощае­ мых за это же время фотонов внешнего оптического облучения. Вторая ступень М отражает возможность наличия какого-либо механизма усиления по току; в частности,* в ФЭУ усиление обеспечивается при вторичном эмиссионном умножении носителей зарядов. Наконец, ток, образованный свободными носителями, после умножения взаимодей­ ствует с внешней цепью, что характеризуется третьей ступенью Р э, в которой регистрируется выходной эффект. Величина сопротивления R з определяется всеми внутренними эффектами, связанными с пре­ образованием переменной составляющей тока в полезную мощность сигнала Р вых и есть не что иное, как сопротивление нагрузки фото­ приемника.

Определим чувствительность детекторного приемника. Эффектив­ ность оптических систем ограничивается в отличие от эффективности систем диапазона радиоволн не только внутренним и внешним шумом, но и в общем1случае квантовой природой самих оптических сигналов.

При анализе работы фотоприемников используют две статические

543

приведены световая и вольт-амперная характеристики ФЭУ-28 с од­ ним типом фотокатода.

Пусть мощность светового сигнала па фоточувствительной по­

Тогда переменную составляющую тока на выходе фотодетектора можно

Полная мощность шума на выходе складывается из следующих сос­ тавляющих:

—составляющей дробового шума, равной 2 е44/тР эПш, обуслов­ ленной темнсвым током / т, т. е. током, протекающим при отсутствии освещения фотокатода;

—составляющей дробового шума, равной 2 еМ21 ФР ЭТ1Ши обус­

ловленной действием фонового тока / ф;

—составляющей дробового шума, равной 2 еМ21ВХ0 Р ЭПШ, обус­ ловленной действием сигнала;

—составляющей теплового шума внутреннего сопротивления, равной кТП.

Вэтих выражениях / т, I ф, / пх0 — средние значения темпового и

фонового токов и тока сигнала соответственно, причем

/вхо = 44т] ^ Р с во > /ф ~ 44 т] - j- j- Рф,

где Рф — мощность фоновой засветки на фоточувствительной по­ верхности приемника, обусловленная излучением Солнца, свечением неба и других небесных тел (Луна, звезды, облака).

В результате отношение сигнал/шум по мощности на выходе можно получить в виде

Выражение (14.5) определяет реальную чувствительность фотоприем­ ника. В случае малого значения внешнего шума, определяемого мощ­ ностью Рф, и коэффициента усиления 44 пороговая чувствительность,

544