Файл: Приемные устройства радиолокационных сигналов конспект лекций..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.07.2024
Просмотров: 108
Скачиваний: 0
эффекту вольт-амперная характеристика диода приобретает вид. как показано на рис. 40.
Если рабочую точку А выбрать на падающем участке вольтамперной характеристики путем подачи на диод положительного смещения f/0, то туннельный диод будет эквивалентен некоторой отрицательной проводимости (7 = tqai. При включении такого диода в колебательный контур получим регенеративный усилитель. Уси ление мощности, как и в резонансных ламповых и транзисторных усилителях, в туннельных усилителях осуществляется за счет рас хода мощности постоянного источника смещения.
4.2. Эквивалентная схема и параметры туннельного диода на высоких частотах
Эквивалентная схема туннельного диода для малых уровней входных сигналов представлена на рис. 41.
Л |
6? Л^п |
U |
|
Рис. 41) |
Рис. 4 |
На рисунке 41 обозначено: |
|
С* — емкость корпуса диода; |
* |
Z,K— индуктивность корпуса диода; |
|
Ro— сопротивление потерь диода; |
|
С„ — емкость р—п-перехода; |
|
Rn — дифференциальное отрицательное сопротивление перехода. Запишем импеданс эквивалентной схемы без учета Ск:
20 = Яо-!-/«£к+ — —l j - •
/шСп—-р-
•'ll
Отсюда выражения для активной Rd и реактивной Хд составляю щих на зажиме диода
Rd—Rb |
|
Rn |
(П |
|
l+(«CnR„)»' |
||||
|
|
|||
X>=ю (/,к — |
2 |
|
||
C - f i П |
(2) |
|||
1ч-(о>С, |
||||
|
|
-'П^п)2/ |
|
|
Из сотношения (1) видно, что отрицательное сопротивление тУн
60
цельного диода Яö, реализуемое на внешних выходах, зависит от частоты и при некоторой предельной частоте <«пред обращается в нуль.
Из (1) при Яд = 0 находим
^ |
1 1 / £ " _ т |
(31 |
“ 1 3 7 V |
|
Согласно (2) реактивная составляющая сопротивления на за жимах диода также зависит от частоты и при некоторой частоте наступает собственный резонанс туннельного диода, т. е. ^^ = 0. Частота собственного резонанса шрез определяется выражением
|
, |
/ “1 |
Г |
|
' |
и , р е з = = | / ' |
C n L K - |
^ C 2 - |
( 4 ) |
На частотах ниже шрез реактивное сопротивление диода носит емкостный характер, а на частотах выше — индуктивный.
Часто при расчете колебательной системы туннельного усилите ля целесообразно представлять эквивалентную схему туннельного диода не в виде последовательного включения сопротивлений Яд и Х д (1), (2), а в виде параллельного. Пересчет последовательной цепи в параллельную рис. 42 производится по известным формулам
Ко . |
( 5 ) |
|
ч + ч ' |
||
|
||
Ч + хі |
( 6) |
|
|
где
Gd, Ва активная и реактивная составляющая входной прово димости диода. На рис. 43 представлены зависимости В д(ш) и Gg(ui), рассчитанные по формулам (5) и (6). соответственно.
8д
Рис. 42
Пользуясь этими зависимостями, можно определить параметры
6і
эквивалентной схемы туннельного диода на частоте усиливаемого сигнала (рис. 44):
Од^ О д(шп):
Вд(аір) Саэ~ =С. шп
4.3. Устройство усилителя на туннельном диоде
Согласно рассмотренному выше принципу работы туннельный усилитель включает в себя колебательный контур (систему) и тун нельный диод с постоянным положительным смещением, обеспечи вающим положение рабочей точки на падающем участке вольтамперной характеристики. Кроме этого, для обеспечения устойчивой работы усилителя необходимо выполнить два условия. Первое со стоит в том, чтобы нагрузочная характеристика по постоянному току ВС (рис. 45) пересекала вольтамперную характеристику ди-
1
6? _ jfy*
т
Рис. 44 Рис. 45
ода в одной точке А, лежащей на падающем участке. В противном случае (см. пунктир) рабочая точка А будет неустойчивой. Это условие аналитически можно записать в виде
где |
|
tg a2>tg*i. |
17J |
|
касательной в рабочей точке А, tgcii = G д; |
|
|
ai — угол наклона |
|
||
ct2 — угол наклона |
нагрузочной характеристики по постоянному |
||
току, tga2= |
: |
|
|
R1 — сопротивление нагрузки диода по постоянному току (со противление смещения).
С учетом того, что отрицательная проводимость туннельного диода Gd = 0,1 -5- 0,01 Сим, для удовлетворения условия (7) ис точники постоянного смещения должны выбираться низкоомными (с большой внутренней проводимостью).
Второе условие заключается в обеспечении устойчивой работы туннельного усилителя на частотах, значительно превосходящих ча
62
стоту усиливаемого сигнала соо, на которую настраивается колеба тельный контур. Эта проблема возникает в связи с тем, что отрица тельная проводимость туннельного диода (рис. 43) лежит в чрез вычайно широкой полосе частот (от 0 до <впред). Поэтому паразит ный резонанс колебательной системы на высших частотах может привести к возбуждению усилителя. Для исключения этого в со став усилителя вводится стабилизирующий двухполюсник, резко шунтирующий колебательный контур на высших резонансных ча
стотах.
С учетом сказанного на рис. 46 приведена конструкция туннель ного усилителя. -
Рис.346
Колебательная система выполнена в виде двух взаимосвязан ных контуров. Первый контур образован переменной индуктив ностью в виде короткозамкнутого отрезка полосковой линии регу-
лируемой длины/<— и параллельно подключенной к ней емкостью
X
в виде разомкнутого на конце отрезка полосковой линии / < - ^ .
Второй контур отличается от первого тем, что в качестве емко сти используется входная емкость туннельного диода Сдэ Конгу-ры связаны между собой индуктивностью, образованной отрезком по лосковой линии.
В качестве низкоомной нагрузки по постоянному току использу ется шайба, зашунтированная по высокой частоте емкостью, обра
зе зованнои разомкнутым отрезком коаксиальной л и н и и . В ка
честве стабилизирующего двухполюсника использована комбина ция отрезков линии, подключающих на высших частотах к колеба тельному контуру активное сопротивление /?а.
4.4. Принципиальная схема усилителя на туннельном диоде
Принципиальная схема УТД, изображенного на рис. 46, работа ющего в отражательном режиме (с циркулятором), представлена на рис. 47. Для пояснения принципиальной схемы на рис. 48 пред-
+ |
few: |
|
тии |
L'ö*r Ъ |
IPюсник |
j5 |
|
Рис. 4R
ставлен ее низкочастотный эквивалент. Работа стабилизирующего двухполюсника пояснена рис. 49. Для частот усиливаемых сигналов со = мо(Я.с) разрыв двухпроводной линии в точках 2—2 пересчи
тывается в разрыв в точках 1—1, что эквивалентно отключению от колебательной системы шунтирующего сопротивления /?2 - Для выс
■■64
ших частот о)>ао(А,<Хс) активное сопротивление # 2 оказывается подключенным к колебательному контуру, что предотвращает само возбуждение усилителя.
4.5. Эквивалентная схема отражательного УТД
Эквивалентная схема отражательного УТД |
представлена, на |
||
рис. 50. |
Здесь go — проводимость собственных |
потерь в |
колеба |
тельной |
системе на частоте сигнала; g c— проводимость |
источни |
|
ка сигнала (циркулятора).
1
Рис. 50
На основании эквивалентной схемы можно получить выражение для качественных показателей УТД (Кр, П, Кш)-
а) Коэффициент усиления по мощности
(8)
Подставив выражения |
для |
РВЫІ и Рвх в (8 |
), |
получим |
|
|
|
|
|
|
(9) |
где |
|
|
|
|
|
g i= g c+So-’ |
|
" |
. |
|
|
Р= — — коэффициент регенерации. |
|
|
|
||
^ 1 |
|
достигает |
15—\7 |
|
|
Практически величина К р |
д К |
||||
б) Полоса пропускания |
|
|
|
|
|
п _ [ с _ _ |
f c(Sі-Оа) _ ^,(І-Р ) |
|
|
||
Q |
|
а>0с |
2пСк |
' |
|
С — емкость колебательного контура.
-Ь Зак. 577 |
65 |
Величина П ограничивается полосой пропускания колебатель-
ной системы. Практически -^-=0,04-5-0,4.
в) Коэффициент шума Источники шума:
1 ) тепловые шумы в активной проводимости источника сигна gc и проводимости потерь в контуре ga
^ С= ^ т 0п шёс, |
(Ю) |
|
(И) |
2) Дробовой шум диода. Согласно формуле |
Шоттки. |
/ш^=2в/в/7ш; |
(12) |
где
е = 1 ,6 -1 0 - 1 9 кулон — заряд электрона;
/0 — постоянная составляющая тока через диод.
Выразим дробовой шум через тепловой шум некоторой активной проводимости grn'
(13)
Приравняв правые части уравнений (12) и (13) и решив полу ченное уравнение относительно шумовой проводимости диода получим
(14)
Общее выражение для коэффициента шума
/ 2
(15)
Подставив в (15) значения величин /щ8ЫХ и 12шс, получим
Практически Кш= 2 -5 -4 ).
66
5
КВАНТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ СВЧ
Стремление обеспечить минимальный коэффициент шума радио приемных устройств привело к созданию усилителей высокой ча стоты нового типа, принцип действия которых основан на исполь зовании явления взаимодействия частиц вещества (электронов, атомов, молекул, ионов) с электромагнитным полем.
Впервые явление взаимодействия связанных электронов веще ства с электромагнитным полем было открыто в 1944 году совет ским ученым Завойским и названо электронным парамагнитным резонансом (ЭПР).
В послевоенный период параллельно в Советском Союзе и в США велись работы в области нового раздела науки — квантовой электроники, возникшего на стыке квантовой физики и радиоэлек троники. Работы, выполненные в физическом институте имени Ле бедева Академии наук СССР, привели к созданию в 1955 году первого квантового (молекулярного) генератора электромагнитных колебаний СВЧ, а в 1956 году — первого квантового парамагнитно го усилителя СВЧ.
За работы в области квантовой электроники советские ученые А. М. Прохоров и Н. Г. Басов удостоены в 1964 году Ленинской премии, а в 1965 году им совместно с американским ученым Ч. Та унсом была присуждена Нобелевская премия.
В настоящее время квантовые усилители СВЧ применяются в тех случаях, когда требуется обеспечить особо высокую чувстви тельность радиоприемного устройства, ибо основным достоинством этих усилителей является ничтожно малый уровень собственных шумов.
Чтобы понять принцип действия квантового усилителя, необхо димо ознакомиться с основными свойствами так называемых кван товых систем, т. е. систем частиц вещества.
5.1. Физические основы работы квантовых усилителей
Из курса физики известно, что все частицы вещества (атомы, молекулы, ионы) обладают запасами внутренней энергии. Основ-
67
