Файл: Приемные устройства радиолокационных сигналов конспект лекций..pdf

ловина уменьшать. Следовательно, окончательный эффект увели­ чения кинетической энергии электронов определяется не макси­ мальным радиусом /„„Ke- а некоторым средним радиусом

Следует отметить, что средний радиус всегда больше началь­ ного. Этот процесс увеличения радиуса циклотронного движения электронов и. является параметрическим. Иначе говоря, можно рассматривать этот процесс как прохождение электромагнитной волны, наложенной на электронный луч, по линии передачи, обра­ зованной электронным лучом и пластинами квадрупольного кон­ денсатора. Параметры этой линии, изменяются с частотой накачки, равной удвоенной частоте сигнала, т. е. здесь мы имеем процесс, аналогичный процессу в одноконтурном параметрическом усили­ теле.

Отвод усиленного сигнала осуществляется с помощью колеба­ тельного контура, настроенного на частоту сигнала и полностью аналогичного входному. Электроны, движущиеся после квадру­ польного конденсатора по спирали с увеличенным радиусом, вле­ тают в пространство между .пластинами конденсатора выходного контура и наводят на его пластинах ЭДС. В результате в контуре возникает переменный ток частоты сигнала и между пластинами возникает электрическое поле, которое препятствует" причине, его вызвавшей, т. е. является тормозящим для движущихся в нем электронов. Электроны отдают энергию электрическому полю и уменьшают радиус своего движения (рис. 38). Для отвода элек-

*

Рис. 38

тронов, вышедших из выходного контура, ставится коллектор. На рис. 38 показана траектория электронов в промежутке от электрон­ ной пушки до коллектора. Конструкция электроннолучевого па­

раметрического усилителѣ изображена на рис. 39. На рисунке обозначены:

1 — электронная пушка;

2 — стеклянная колба усилителя:

53

3 — фокусирующий соленоид, создающий постоянное магнитное поле с напряженностью Н, определяющей циклотронную частоту

4 — входная цепь (входной контур);

5 — контур квадрупольного конденсатора;

6 — выходная цепь (выходной контур);

7 — коллектор.

3.4. Коэффициент усиления усилителя

Ранее было показано, что энергия сигнала во входной цепи преобразуется в кинетическую энергию циклотронного движения электронов, которая существенно возрастает в результате увели­ чения радиуса циклотронного движения после прохождения элек­ тронами квадрупольного конденсатора.

Так как энергия циклотронного движения электронов опреде­ ляется формулой

пиа^г1

54

то, очевидно, что коэффициент усиления мощности электроннолу­ чевого усилителя будет равен

где rcр — средний радиус циклотронного движения электронов на выходе квадрупольного конденсатора.

Найдем закон изменения радиуса в поле квадрупольного кон­ денсатора.

С одной стороны, сила, действующая на электрон и увеличива­ ющая радиус его движения, равна

где < 7 — заряд электрона;

Е— амплитуда напряженности электрического поля.

Сдругой стороны,

Разделяем переменные:

гd*a>am a t .

са, с которым электроны входят в квадрупольный конденсатор, до радиуса, по которому они будут вращаться через время т:

г

J -т “г-

55

Максимальный радиус вращения электронов на выходе квад-

(косинус гиперболический). Отсюда

Реально коэффициент усиления достигает 20—25 дБ- Заметим, что коэффициент усиления от частоты сигнала практи­

чески не зависит, т. е. процесс усиления возможен в широкой поло­ се частот. Однако в реальных устройствах полоса пропускания уси­ лителя ограничена полосами пропускания входной и выходной це­ пей и может находиться в пределах от единиц до 20 процентов от несущей.

3.5. Коэффициент шума усилителя '

Очень важной особенностью электроннолучевого параметриче­ ского усилителя является малый уровень собственных шумов и, следовательно, малый коэффициент шума. Причиной этого являем ется то, что дробовый эффект не сказывается на уровне собствен­ ных шумов, ибо процесс усиления не связан с плотностью элек­ тронного луча, а определяется лишь наличием поперечной состав­ ляющей скорости электронов.

Отсюда можно сделать вывод, что основным источником шума в усилителе является неравномерность истечения электронов из элек­ тронной пушки по направлению, т. е. тот факт, что часть электронов выходит из электронной пушки не параллельно оси, а .под углом, имея уже некоторую поперечную составляющую скорости.

В постоянном магнитном поле эти электроны начинают еще до входной цепи двигаться по спирали, т. е. несут уже какую-то,энер­ гию. В силу произвольности выхода этих электронов из электрон­ ной пушки энергия, связанная с их циклотронным движением, явля­ ется энергией шума. Этот процесс, действительно, имеет место в усилителе, но шумы, возникающие за счет описанного эффекта, Су­ щественно уменьшаются во входной цепи.

56

Электроны, несущие энергию шума, войдя в область конденса­ тора входной цепи, наводят шумовую ЭДС на его пластинах, и в контуре входной цепи возникают шумовые колебания. Электриче­ ское поле, созданное между пластинами конденсатора, является тормозящим для шумовых электронов, поскольку причиной его возникновения является их циклотронное движение. В результате электроны отдают энергию шума входной цепи. Электромагнитные колебания шума, возникшие при этом, частично теряются на соб­ ственном сопротивлении входной цепи, а. частично-уходят по кабе­ лю в антенну, где и излучаются. Таким образом, после входной цепи электронный луч свободен от электронов, несущих энергию шума. Этот процесс снятия шумов с электронного луча называют «охлаж­ дением луча».

Поэтому основными внутренними шумами электроннолучевого параметрического усилителя являются собственные тепловые шумы входной цепи, а также так называемые электронные шумы, обуслов­ ленные некоторой неравномерностью скоростей движения электро­ нов в луче, попаданием электронов на пластины входной цепи и неидеальностыо формы пластин входной цепи, что приводит к иска­ жениям траектории электронов.

Коэффициент шума усилителя можно найти, зная среднеквадра­ тичные значения шумовых токов всех источников. Шумы источника сигнала, поступающие во входную цепь, можно оценить по извест­

где go- — собственная проводимость входной цепи.

Электронные шумы можно оценить, отнеся их к некоторой элек­ тронной проводимости луча, находящейся при шумовой темпера­ туре Тъ,

/*Э=4А7У7Ш£.. Электронная проводимость определяется формулой

где

1\ — длина пластин входной цепи;

cl\ — расстояние от оси луча до пластины; /«о — ток луча; и 0— ускоряющее напряжение.

Эквивалентная шумовая температура электронной проводимости Тэ приблизительно составляет 0.015—0.08 температуры катода, т. е.

Г„=(15~т-80)/(.

.57

/

4

УСИЛИТЕЛИ НА ТУННЕЛЬНЫХ ДИОДАХ

4.1. Принцип действия

В усилителях на туннельных диодах, как и в регенеративных параметрических усилителях, эффект усиления достигается за счет вносимой в колебательный контур отрицательной проводимости. Однако механизм образования отрицательной проводимости здесь другой. Если в полупроводниковых параметрических усилителях отрицательная проводимость

G-— —г-----

создается за счет периодического изменения нелинейной емкости р—п перехода под воздействием высокочастотного источника на­ качки, то в туннельных усилителях отрицательная проводимость возникает в самом диоде при подаче на него постоянного напряже­ ния.

Высокая концентрация примесей в полупроводниках туннельно­ го диода резко изменяет характер и свойства его перехода. В частно­ сти, у такого диода толщина перехода составляет 10“° см, т. е. в 100 раз меньше, чем у обычного полупроводникового диода. Это приводит к тому, что даже при малом постоянном напряжении, приложенном к туннельному диоду, возникает высокая напряжен­ ность электрического поля в р—«-переходе. Так, постоянное на-

пряжение t/0 = 0,l В создает напряженность поля Е — 105~ . При

этом создаются условия для преодоления электронами энергетиче­ ского барьера, существующего в месте перехода. Возникающий при . этом ток называется туннельным током. Благодаря туннельному

59