Сборник технических статей

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта
Главная Квантовая и оптическая электроника Супергетеродинные приемники лазерного излучения

Супергетеродинные приемники лазерного излучения

Печать

Наиболее перспективными приемными устройствами в оптическом диапазоне волн, способными принимать частотно-модулированные и фазо-модулированные сигналы, измерять доплеровский сдвиг частот, осуществлять однополосный прием и т.д., считаются супергетеродинные приемники. Супергетеродинные приемники по сравнению с приемниками прямого усиления позволяют существенно уменьшить влияние фоновых засветок. Возможность подавления фонового излучения супергетеродинными приемниками обусловлена тем, что их полоса пропускания сравнительно невелика и определяется полосой пропускания радиотехнических цепей.

В то же время приемники прямого усиления принимают сигналы (и помехи) во всей полосе пропускания оптического фильтра. Использование супергетеродинных приемников оптического диапазона в различных системах связи и локации позволяет также подавить темновые шумы фотодетектора и ослабить влияние шумов последующих каскадов путем выбора мощности сигнала гетеродина.

Рассмотрим некоторые особенности супергетеродинных приемников оптического диапазона волн. Известно, что в радиодиапазоне энергия кванта hf значительно меньше энергии теплового излучения kT. Так, на длине волны 3 мм hf = 6,6x10-23 Дж, в то время как kT = 4x10-21 дж (при работе приемника при комнатной температуре). Следовательно, чувствительность приемников в радиотехническом диапазоне волн ограничивается тепловыми шумами.

В оптическом диапазоне волн на длине волны 1 мкм hf = 2x10-19 Дж, т. е. тепловые шумы значительно меньше шумов, вызванных флуктуациями числа квантов. Следовательно, чувствительность приемников оптического диапазона ограничивается квантовыми флуктуациями.

Мощность сигнала, минимально обнаруживаемого оптическими супергетеродинными приемниками, можно найти из выражения

где h — постоянная Планка;

f — частота излучения лазера;

Δf — полоса пропускания приемника;

q — квантовая эффективность детектора.

Важной особенностью оптических супергетеродинных приемников является то, что мощность шумов приемника растет пропорционально мощности сигнала гетеродина. Чувствительность приемника при этом не ухудшается, так как с увеличением мощности гетеродина одновременно увеличивается мощность продетектированного сигнала. Этот эффект используют для подавления шумов приемника выбором необходимой мощности гетеродина. При некоторых значениях мощности гетеродина отношение сигнал/шум на выходе приемника может приближаться к отношению сигнал/шум нешумящего (идеального) приемника.

В оптическом диапазоне волн важное значение имеет также амплитудно-фазовое распределение волн сигнала и гетеродина на чувствительной поверхности детектора. Обычно размеры чувствительной поверхности детектора значительно превышают длину волны принимаемого сигнала. Поэтому ток промежуточной частоты от различных участков поверхности детектора будет иметь разные фазы, что в итоге приводит к уменьшению тока промежуточной частоты на выходе смесителя.

Для устранения этого явления необходимо, чтобы угол Θ между направлениями распространения волн сигнала и гетеродина

где Д — диаметр освещенной поверхности детектора;

λ — длина волны.

Так, при λ = 1 мкм и Д = 2 мм угол Θ = 50". Это условие накладывает жесткие требования на ориентацию и качество оптической системы.

В супергетеродинных приемниках лазерного излучения в качестве смесителей могут быть использованы детекторы приемников прямого усиления, т. е. вакуумные фотоэлементы, фотоумножители, фотодиоды, фото-ЛБВ и фотосопротивления.

К наиболее распространенным приборам, используемым в качестве смесителей, относятся фотоумножители. Их достоинством является то, что благодаря большому внутреннему усилению они работают при малых мощностях гетеродина. Частотная характеристика обычных фотоумножителей имеет ширину 100—200 Мгц, но может быть значительно увеличена за счет использования фотоумножителей со скрещенными полями или фото-ЛБВ. Основной недостаток фотоумножителей — низкая квантовая эффективность.

Большую квантовую эффективность имеют фотокатоды, которые обеспечивают прием широкополосных сигналов. К недостаткам фотокатодов относят отсутствие внутреннего усиления сигнала и большую величину темнового тока.

Из краткого рассмотрения достоинств и недостатков различного типа приемников следует, что супергетеродинные приемники наиболее перспективны. Они имеют лучшую избирательность, большую чувствительность и лучшее соотношение сигнал/шум.