Под шумовыми характеристиками (радиоизлучениями) РПДУ понимается его нежелательное радиоизлучение через антенну, обусловленное собственными шумами элементов радиопередатчика и модуляцией этими шумами генерируемых колебаний [3]. Рассмотрению этого вопроса посвящено много работ [1, 3, 4, 5, 6] и др.

Так в [3] показано, что если радиопередатчик представить в виде каскадного включения возбудителя, усилителя мощности (УМ), фильтра и согласующего антенного устройства (САУ), то относительный уровень мощности шумовых колебаний (ШК) на выходе при заданной частотной отстройке Рш отн(δf) в полосе частот контроля можно выразить следующей формулой (4):

Примечание - порядковые номера формул являются продолжением порядковых номеров предыдущих статей.

Таким образом, исходный шум передатчика задает его возбудитель, УМ усиливает их и добавляет собственные шумы, а фильтр и САУ ослабляют эти шумы в соответствии с характеристикой частотной избирательности.
Рекомендуемые ФГУП «ВНИИ» «Эталон» допустимые уровни шумовых излучений приведены в таблице 1 [2].

Как следует из таблицы 1, для РЭС связи подвижной службы с мощностью передатчика от 0,1 до 1 кВт относительный уровень шумовых колебаний в полосе частот контроля ΔFк при относительной частотной отстройке ±10% не должен быть более минус 130…минус 140 дБ.

Величину мощности собственных шумов УМ при отстройке δf можно определить аналогично формуле, приведенной в [5], для величины этого параметра на рабочей частоте, то есть:

Из формулы (5) следует, что мощность ШК на выходе усилителя зависит от его коэффициента шума Kшум, коэффициента усиления усилителя мощности Gум и мощности шума возбудителя Ршв.
Основными путями снижения мощности ШК передатчика, как следует из формул 4, 5 являются:

снижение мощности шума возбудителя;
уменьшение коэффициента усиления УМ с одновременным увеличением уровня основного сигнала возбудителя;
снижение коэффициента шума УМ;
уменьшение коэффициента передачи (увеличение затухания) фильтра и САУ за полосой пропускания.

Полностью избежать шумов не удастся, но, применив совокупность перечисленных технических мер, можно удовлетворить достаточно высоким требованиям к допустимому уровню ШК передатчика.

Влияние шума на чувствительность усилителя объясняется следующим. Известно, что приводимая к входу усилителя мощность шума определяется по формуле [6]:

Рш=4kT∙Кш∙δf , (6)

где k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; Кш — коэффициент шума; δf - ширина полосы частот, в которой определяется Рш.
При заданном отношении сигнал/шум Dш на выходе усилителя мощность входного сигнала Рс не должна быть меньше, чем (Рш*Dш). Отсюда следует, что минимально допустимое значение входного сигнала Рс_тш, характеризующее чувствительность усилителя, определяется формулой [6]:

Рс_тш=4kT∙Кш∙Dш∙∆f . (7)

При заданных Dш и δf все входящие в это выражение величины известны, за исключением Fш.

Согласно [6], в нелинейном усилителе, каким в общем случае является усилитель мощности, при достаточно большом коэффициенте усиления по мощности первого каскада коэффициент шума определяется по формуле:

В зависимости от режима работы каскада это отношение определяется по формуле [7]:

f_9

Входящие в эту формулу коэффициенты находятся по таблицам [7].

Анализ шумовых характеристик активных элементов приведен в работах [3, 8…12].
В работе [8] подробно проанализированы шумовые свойства биполярного транзистора. Шум в полупроводниковых приборах и, в частности, в СВЧ транзисторах, обусловлен тремя основными факторами:

пролетом носителей через p-n переходы, происходящим не независимо и в случайные моменты времени. Результатом этого являются флюктуации тока, называемые дробовым шумом;
тепловой шум, связанный с беспорядочным движением носителей в любом проводнике. В транзисторах этот шум связывают с тепловыми диффузионными процессами в базе и потерями в объеме полупроводника и контактах;
флюктуациями сопротивления образца из-за генерационно-рекомбинационных процессов в полупроводниках и возникающими вследствие этого флюктуацией тока.

Там же проведен анализ всех составляющих источников шума:

диффузионной составляющей инжектированного в базу дырочного тока;
дрейфовой составляющей дырочного тока, протекающего из базы в эмиттер;
дрейфовой составляющей дырочного тока, образованной дырками, инжектированными в базу и возвращающимися обратно в эмиттер.

Там же приведены выражения для коэффициента шума от параметров физической модели биполярного транзистора в различных схемах включения.

Практически важные результаты получены из рассмотрения транзистора в виде нешумящего четырехполюсника с внешними источниками шума, т.е. на основании общей теории шумящих четырехполюсников. Так, для модели рисунок 1а с двумя частично коррелированными шумовыми источниками Uш и Iш=Iш некор+Uш*Yкор
средний квадрат шумовой э.д.с. и некоррелированной составляющей шумового тока соответственно равны:

Рисунок 1 – Модель транзистора в виде нешумящего четырехполюсника с внешними источниками шума

Используя шумовую схему рисунок 1а и (10), (11), получено общее выражение для коэффициента шума четырехполюсника в терминах его четырех шумовых параметров: Gш, Rш, Yкор (Yкор=Gкор+jBкор):

Минимизация по отношению к Вг (при этом Вг=-Вкор), а затем по отношению к Gг, дает следующее выражение для минимального значения коэффициента шума:

при

Тогда получается выражение, характеризующее коэффициент шума при отклонении проводимости генератора сигнала относительно оптимальной проводимости в виде:

Последнее выражение может быть определено в терминах коэффициентов отражения

Пренебрегая всеми источниками шума, кроме выходного (рисунок 1б), средний квадрат которого 2qIR∆f, авторы работы [9] показали, что на достаточно высоких относительных частотах:

отличается не более чем на 30% от его точного значения. Это позволило ограничиться простой бесструктурной моделью с одним источником шума на выходе и найти аналитическую зависимость между Rш и параметрами транзистора. Выражение для коэффициента шума в [9], имеющее вид:

позволяет найти его минимальное значение

которое реализуется при

определяемое выражением:

Коэффициент шума усилителя, состоящего более чем из одного каскада, определяется по формуле Фриза:

В работе [8] отмечается, что реальные выходные нагрузки каждого из каскадов не виляют на коэффициент шума F, однако они определяют коэффициент усиления Gном2 и через него определяют коэффициент шума.

В работе [10] очень коротко анализируются шумы в полевых транзисторах. В ней указывается, что в полевых транзисторах наблюдаются тепловые шумы в токопроводящем канале, дробовые шумы затвора и тепловые шумы входной проводимости.
Тепловые шумы в токопроводящем канале характеризуются шумовым сопротивлением:

R_ш=((0,6…0,75))/S, (21)

где S – крутизна характеристики полевого транзистора.

Дробовой шум затвора значительно меньше теплового шума входной проводимости, и его обычно не учитывают. Относительная шумовая температура входной проводимости Gвх полевого транзистора

tвх≈1 (22)

Эквивалентная шумовая схема полевого транзистора приведена на рисунке 2, где Uш – генератор ЭДС шумов, определяемый по формуле:

Uш=√(4kTПRш ), (23)

а Iш вх – генератор шумового тока, определяемый по формуле:

Iш.вх=√(4kTвх ПGвх ), (24)

где П – полоса частот, в пределах которой измеряется ЭДС шумов;

Твх=tвх Т – шумовая температура входной проводимости.

Рисунок 2 – Эквивалентная шумовая схема полевого транзистора

Наиболее полный анализ шумовых характеристик полевых транзисторов, которые в настоящее время находят все более и более широкое применение при проектировании средств радиосвязи, проведен в [12].
Из [12] следует, что источники шума в полевых транзисторах с p-n-переходом и с МОП-структурой весьма схожи, за исключением 1/f-шума, который в литературе часто называют токовым шумом, фликкер-шумом, шумом контактов, или избыточным шумом. Данный вид шума почти полностью отсутствует в полевых транзисторах (ПТ) p-n-переходом, но доминирует на низких частотах в полевых транзисторах с МОП-структурой.

Важнейшим механизмом возникновения шума в полевых транзисторах (ПТ) являются тепловые флуктуации носителей в каналах транзистора.
Подобные флуктуации проводимости приводят к возникновению теплового шума токов стока и затвора.

Другим существенным источником шума является генерация носителей в обеденной области канал-затвор; в ПТ с p-n-переходом механизм подобного же типа приводит к появлению дробового шума в токе утечки через затвор.

Другие источники шума в ПТ, включая флуктуации в концентрации носителей в канале, связанные с рекомбинационно-генерационными процессами через ХШР-центры, локализованные в канале, или за счет частично ионизованных доноров (для канала n-типа), или акцепторов (для канала p-типа), как правило, несущественны.

Таким образом, основными составляющими шума в ПТ являются тепловой шум канала и дробовой шум, связанный с током утечки на
затворе [12].
Эти шумы представляются двумя эквивалентными генераторами тока In(t) и Un(t) [12], подключенными между истоком и стоком, а также затвором и истоком соответственно, как это показано на рисунке 3.

Рисунок 3 - Шумовые генераторы тока In(t) и напряжения Un(t) на входе ПТ.

Спектральные плотности входных шумовых генераторов тока и напряжения определяются выражениями [12]:

Спектральные плотности входных шумовых генераторов можно выразить через эквивалентные тепловые проводимости следующим образом [12]:

где Gni – эквивалентная тепловая проводимость шумового генератора тока;
Gnv – эквивалентная тепловая проводимость шумового генератора напряжения.

Используя эти выражения можно получить выражения для эквивалентных тепловых проводимостей шумовых генераторов в следующем виде:

Для учета корреляции между шумовыми токами канала и затвора вводится понятие корреляционной проводимости шумовых генераторов Yc, которая выражается через эквивалентные тепловые проводимости этих генераторов и их нормированную взаимную спектральную плотность Гiv следующим образом [12]:

Из этой формулы вытекает следующее выражение для нормированной взаимной спектральной плотности:

Из [12] известно, что взаимная спектральная плотность шумов, вызванная корреляцией между шумовыми токами канала и затвора, является для ПТ чисто мнимой величиной равной Гiv=-0,4j.

С учетом выше изложенного можем записать следующее выражение корреляционной проводимости шумовых генераторов:

Таким образом можно определить действительную часть Gc=0 и мнимую Вс части корреляционной проводимости Yc, т.е.

Коэффициент шума F=Кш_0 линейного четырехполюсника при данной частоте выражается через полную проводимость источника сигнала YS=GS+jBS, эквивалентные тепловые проводимости шумовых генераторов Gni, Gnv и составляющие корреляционной проводимости Gc и Вc по следующей формуле [12]:

Оптимальная проводимость источника сигнала, равная YS0=GS0+jBS0, -это проводимость, при которой коэффициент шума F минимален и равен F0=Кшmin. При этом оптимальные значения реактивной ВS0 и активной GS0 составляющих проводимости источника определяются выражениями:

Минимальное значение коэффициента шума F0=Кшmin при выполнении условия шумового согласования определяется выражением [12]:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дано определение шумовых характеристик РПДУ, рассмотрены требования, предъявляемые к шумовым колебаниям (ШК) радиопередатчиков. Рассмотрены модели и основные факторы, определяющие шумы полупроводниковых приборов, даны их количественные оценки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1    Уайт Д. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. Вып. 1. – М.: Советское радио, 1977. (1)
2    Воронин А.А. Шумовые излучения радиопередающих устройств. Чем они опасны. Информост. Радиоэлектроника и телекоммуникации. №4 (34). Июль-август, 2004, www.informost.ru.
3    Радиоприемные устройства/ Под общей редакцией В.И. Сифорова. М.: Сав. радио, 1974.
4    ГОСТ 23611-79. Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Термины и определения.
5          Жалуд В., Кулешов В.Н. Шумы в полупроводниковых приборах. - М.: Сов. радио, 1977
6    Ю.В. Завражнов, И.И. Каганов, Е.З. Мазель, А.И. Миркин. Мощные высокочастотные транзисторы/ Под ред. Е.З. Мазеля. –М.: Радио и связь, 1985. 176с.
7          Левшин В. И., Дмитриев И. С. Таблицы коэффициентов для рас чета нелинейных искаже-ний транзисторных каскадов. — Техника средства связи. Сер. Техника ра-диосвязи, 1979, вып. 7, с. 141.
8    Шварц Н.З. Линейные транзисторные усилители СВЧ. – М.: Сов. радио, 1980, 368 с.
9    Bachtold W., Strutt M. J.O. Optimum source admittance for minimum noise figure of microwave transistor.- Electr. Letters, 1968, v. 4,№ 17, p.346-348.
10    Буга Н.Н, А.И. Фалько, Н.И. Чистяков. Радиоприемные устройства/ Под ред. Н.И. Чистякова. – М.: Радио и связь, 1986, 320 с.
11    Трохименко Я.К. Радиоприемные устройства на транзисторах, Киев, издательство «Техника», 1972, 352 с.
12    М. Букингем. Шумы в электронных приборах и системах, перевод с английского, Москва, «Мир», 1986.