Файл: Приемные устройства радиолокационных сигналов конспект лекций..pdf

ми. Так как переменная реактивность (емкость)-симеет малые по­ тери и механизм усиления не связан с переносом заряда электри­ ческих частиц вещества, то ПУ обладают малым уровнем собст­ венных шумов. Источником шумов в ГІУ являются только тепло­ вые шумы. Именно это обстоятельство и предопределило исполь­ зование схем ПУ в качестве малошумящих усилителей приемников СВЧ.

На основании выводов изложенной теории систем с перемен­ ными параметрами найдем условия осуществления регенератив­ ного усиления в двухконтурной системе рис. 10,а.

2.2. Процесс возникновения параметрической регенерации

Если амплитудно-частотные характеристики фильтров ПУ не перекрываются, то свойства двухконтурной системы описываются следующими уравнениями линейного четырехполюсника:

Л = /« , C o O . + j ^ u l ,

(7)

здесь (u2=u)1=u)1—шн<0, что указывает на факт обращения спек­ тра и сдвиг каждой спектральной составляющей в преобразованном колебании частоты юг на л. Пусть при этом контуры ПУ на частотах tuj и ш2настроены в резонанс, а в сигнальный контур(о>,)поступает сигнал Ui. Резонансные нагрузки на этих частотах будут чисто активными и, следовательно, токи будут совпадать по фазе с при-' ложенными напряжениями. Эквивалентная схема параметрическо­ го усилителя при резонансе показана на рис 11.

Рис. 11

Под воздействием сигнала U\, при прямом преобразовании, через переменную реактивность на частоте о>2 потечет ток І2 =

— —/ to, Uу и вызовет на нагрузке g2 напряжение

где комплексное сопряжение обусловлено обращением спектра U2.

22

Это в свою очередь вызовет новые синфазные приращения со­ ответствующих токов и напряжений:

Результирующее напряжение в сигнальной цепи станет равным

Таким образом, приналичии на одной из комбинационных ча­ стот ПУ обращенного спектра и резонансе в системе возникает внутренняя цепь положительной обратной связи, обусловленная процессами прямого и обратного параметрического преобразова­ ния. Коэффициент ß называется параметром регенерации. При ß = l усилитель возбуждается п начинает работать как параметрический генератор. Следовательно, регенеративные ПУ являются устрой­ ствами потенциально неустойчивыми и при своей реализации тре­ буют принятия мер повышения стабильности всех параметров схемы.

Регенеративные ПУ далеко не исчерпывают все возможные режимы работы усилителей.

•Следует отметить, что как в одноконтурных, так и в двухкон­ турных ПУ амплитуды колебаний сигнальной и разностной ча­ стот жестко связаны между собой. Увеличение амплитуды колеба­ ний на. сигнальной частоте неизменно приводит к пропорциональ­ ному изменению амплитуды на разностной частоте. Поэтому по­ лезную нагрузку можно включать и в контур разностной частоты. Такой усилитель называется двухконтурным усилителем-преобра­ зователем. ' -

Все перечисленные режимы работы ПУ являются регенератив­ ными, так как усиление в них достигается путем компенсации потерь в цепи сигнала за счет энергии вспомогательного источника (накачки). Эти типы ПУ далеко не исчерпывают все возможные •режимы работы усилителей.

Чтобы полнее оценить возможности усилителей, работающих на параметрических принципах, рассмотрим основные энергетические соотношения для нелинейных реактивных элементов.

2â

2.3. Энергетические соотношения Мэнли и Роу

иклассификация схем параметрических усилителей

Вкачестве изменяющихся во времени реактивностей на практи­ ке в ПУ используют различные нелинейные реактивности: катушки

сферритом, конденсатор с электронным пучком, емкость р—п пе­

рехода полупроводниковых диодов.

Под воздействием сигнала и колебаний накачки на нелинейной реактивности, кроме колебаний разностной (холостой) частоты, возникают токи комбинационных частот. При фиксированной мощ­ ности накачки распределение мощности по образующимся частотам подчинено определенному закону, который является условием сох­ ранения энергии для нелинейной реактивности без потерь и назы­ вается законом Мэнли и Роу.

Энергетические соотношения Мэнли и Роу выражают в самом общем виде соотношение мощностей — поглощаемой и выделяемой идеальной нелинейной реактивностью. Эти соотношения позволяют сразу определить, возможно ли усиление в конкретной схеме ПУ, а также предсказать максимально достижимый эффект усиления.

Рассмотрим кратко основные энергетические соотношения в па­ раметрическом усилителе с нелинейной емкостью без потере. Для этого воспользуемся эквивалентной схемой параметрического устройства (рис. 12).

Схема содержит нелинейную емкость С и четыре цепи, в каж­ дую из которых включен идеальный резонансный фильтр, имеющий сопротивление, равное нулю на частоте настройки, и бесконечно большое сопротивление на остальных частотах. Кроме фильтра, каждая'цепь содержит сопротивление нагрузки (#„, Ru # 2 . #)* а цепи, настроенные на частоты /, и/2, имеют генераторы напря­ жений ес и ен.

Как показано выше, ток содержит комбинационные частоты вида / = / п / н+ л /і, где т, п = 0, ±1, ±2, + ... — произвольные целые положительные и отрицательные числа. Однака благода­ ря полосовым фильтрам схемы, на нагрузках могут выделяться только мощности четырех частот:

/ н; /і> Л = /н - /і; f —fu+ fi (w —0,1; л—0,1, - 1 ),

24

Если емкость не имеет потерь, то сумма всехмощностей, поступающих в емкость на частотах f u / н, / 2, / 4, равна нулю:

Подставляя (11) и (12), получим

или

Соотношение (13) будет справедливо при любых отличных от нуля частотах, если

Из уравнений видно, что мощность может вводиться или отби­ раться от нелинейной емкости на любой из частот. Однако для это­ го в цепи нелинейного конденсатора на каждой комбинационной частоте должна быть нагрузка, на которой происходило бы паде­ ние напряжения. Из (15) следует также, что мощность, поступаю­ щая на нелинейный конденсатор, распределена по комбинационным частотам в зависимости от их частоты. Чем выше частота' гармони­ ки, тем большая мощность приходится на ее долю, Так как мощ­ ности генератора накачки и источника сигнала всегда положитель­ ны, то в соотношениях (15) составляющим этих частот сопутствует знак «+ ». Знак «—» в соотношениях означает, что мощность’ на этих частотах отдается нелинейной реактивностью во внешнюю цепь.

25

Соотношения (15) могут быть обобщены на случай произвольно­ го числа комбинационных частей и в этом случае записываются так:

Эти соотношения примечательны тем, что они не зависят от уровня мощности колебаний f\, f„ и формы кривой, характеризую­ щей нелинейную реактивность. Вследствие этого они всегда могут служить критерием правильности анализа любой параметрической системы.

В первом случае мощность накачки преобразуется в мощность колебаний разностной частоты, появившихся в усилителе под воз­ действием сигнала, и через их посредство выделяется также на ча­ стоте сигнала, т. е. реакцией нелинейной емкости и фильтра разно­ стной частоты на воздействие сигнала является внесение в цепь сиг­ нала отрицательного сопротивления, что является также проявле­ нием эффекта регенерации. В силу того,, что частоты сигнала и разностная совершенно равноправны, можно сказать, что и в цепь разностной частоты вносится отрицательное сопротивление.

Легко заметить, что рассмотренный случай полностью характе­ ризует все регенеративные режимы работы ПУ, приведенные выше и полученные на основании общих физических соображений. Харак­ терной особенностью всех регенеративных режимов ПУ является наличие зеркальных (обращенных) спектров. Это легко показать на частотной диаграмме, когда спектр сигнала имеет сложную форму (рис. 13). В этом случае спектр разностной частоты оказывается симметричным относительно значения частоты/н/2,

Таким образом, все одноконтурные и двухконтурные усилители, работающие с обращенным спектром разностной частоты, являются

'регенеративными. Причем мощность накачки выделяется на сиг­ нальной частоте только за счет возбуждения колебаний на разно­ стной частоте.

26

Во втором случае (соотношение (18)), когда в схеме существен­ ными являются колебания на частотах/] и /4= / н+/],как мощность сигнала, так и мощность накачки выделяется на суммарной частоте. Можно сказать, что если на нелинейной емкости обеспечивается выделение мощности Ри то из цепи гетеродина будет поглощаться такая мощность Р,„ которая обеспечивает выделение в конденсато­ ре мощности на частоте / , превосходящей мощность сигнала в

■^-раз. Следовательно, коэффициент передачи по мощности в этом случае будет

Характерной особенностью схемы является отсутствие обраще­ ния спектра и связанное с этим отсутствие регенерации (рис. 14).

37

2)в зависимости от основных режимов работы (регенератов,- ңые, нерегенеративные);

3)по виду колебательных систем и способам подключения по

лезной нагрузки (резонаторные, бегущей волны, проходного или отражательного типа и т. д.);

4)по числу используемых комбинационных частот (двухчас­ тотные, трехчастотные и т. д .);

5)в зависимости от особенностей конструкции колебательных систем (волноводные, полосковые, коаксиальные и т. д.) .

В настоящее время наиболее широко применяются следующие

резонаторные двухчастотные параметрические усилители на полу­ проводниковых диодах:

Таким образом, параметрические усилители отличаются боль­ шим многообразием режимов работы и схем. При анализе про­ цесса усиления в ПУ видно, что он сопровождается только тепло­ выми шумами, связанными с потерями в колебательных цепях усилителя и нелинейной реактивности. Другие источники шума в ПУ отсутствуют.

Общие энергетические соотношения для нелинейного реактив­ ного элемента без потерь (соотношения Мэнли и Роу) позволяют оценить потенциальные возможности ПУ в различных режимах работы независимо от характера нелинейной реактивности.

Наибольшее распространение в настоящее время получили ре­ зонаторные двухчастотные параметрические усилители на нели­ нейной емкости р—п перехода полупроводникового диода.

2.4. Характеристики параметрических диодов

Параметрический диод является усилительным элементом ПУ, и поэтому внешние параметры (качественные показатели) усили­ телей в значительной степени определяются его свойствами.

Нелинейная емкость в диоде образуется р—п переходом с об­ ратным смещением. Если к диоду приложить постоянное напря­ жение в направлении, обратном проводимости диода, то в месте р—п перехода возникает зона, обедненная подвижными зарядами, В этой зоне около границы раздела материалов возникают два слоя неподвижных зарядов разного знака (рис. 16), образующих своеобразный конденсатор.

При увеличении запирающего напряжения толщина зоны, обе­ дненной подвижными зарядами, увеличивается, что соответствует раздвижению пластин конденсатора и уменьшению емкости диода,

28