Файл: Грабовски, К. Параметрические усилители и преобразователи с емкостным диодом.pdf

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ВВЕДЕНИЕ

В технике радиоприема в диапазоне сравнительно длинных радио­ волн мощность шумов и помех, принятых антенной и усиленных прием­ ником, больше мощности шумов, возникающих в самом приемном устройстве. В этом диапазоне частот чувствительность приемной си­ стемы характеризуется шумами самой антенны. Начиная с децимет­ ровых волн уровень шумов антенны заметно падает и внутренние шумы приемника имеют определяющее влияние на чувствительность прием­ ной системы. Поэтому систематическое освоение и использование все более высоких частот сопровождается работами, направленными на уменьшение собственных шумов усилителей диапазона ультракорот­ ких волн и СВЧ.

В последние годы значительный прогресс в этой области достиг­ нут благодаря созданию усилителей, использующих явление вынуж­

Основное преимущество нелинейной реактивности перед нелиней­ ным сопротивлением заключается в том, что в ней практически отсутст­ вуют потери энергии. Поэтому на нелинейных емкостях может быть реализован целый ряд устройств — мощные смесители, умножители час­ тоты, параметрические генераторы, параметроны. В настоящей книге рассматриваются только входные устройства.

Входные устройства, в которых используются эти элементы, в за­ висимости от способа их применения называют параметрическими усилителями либо преобразователями (смесителями). .

1.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И О Б Щ И Е СВОЙСТВА ДИОДНЫХ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ

ИПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

'В~схеме диодного параметрического усилителя или преобразова­ теля всегда присутствует генератор СВЧ мощности, называемый гене­ ратором накачки. Этот генератор воздействует на запертый р-п пе­ реход емкостного диода с нелинейной зависимостью заряда от напря­ жения, вызывая периодическое изменение емкости (или эластанса, так называемой обратной емкости) перехода. В случае малого, усиливае-

ю

мого или преобразуемого сигнала, поступающего из антенны, усили­ тель или преобразователь характеризуются переменным во времени параметром — емкостью р-п перехода, благодаря чему они получили название параметрических.

Емкость Сп р-п перехода как реактивный элемент, на котором

Таким образом, при изменениях емкости С п энергия сигнала также будет изменяться. При синхронном изменении ёмкости и напряжения на переходе энергия сигнала станет больше величины, поступившей на вход схемы. Предположим, например, что емкость изменяется во вре­ мени скачком с частотой сош а ток входного сигнала — синусоидально

Рис. 1.1. Упрощенная схема управляемого генератором тока параметрического усилителя с переменной емкостью, частота накачки которого в 2 раза больше частоты сигнала и в котором должно выполняться условие фазового синхронизма.

с частотой щ = 0,5сон . При этом емкость уменьшается в тот момент когда напряжение сигнала на емкости достигает своего положительного или отрицательного максимального значения и увеличивается в мо­ менты, когда напряжение на ней становится равным нулю. Моментам времени, в которых емкость будет убывать при постоянном токе си­

к переменной емкости (рис. 1.1), обеспечивается выделение только спектральных составляющих напряжения частоты сигнала, поэто­ му при увеличении напряжения в моменты убывания емкости увеличи­ вается энергия сигнала.

Отметим, что чем большее усиление требуется в схеме, тем дольше должны длиться интервалы времени, в течение которых передается мощность от источника накачки в цепь сигнала, а это означает, что увеличение усиления в схеме вызывает сужение переносимой полосы частот. Усиление мощности в схеме происходит за счет мощности ис­ точника, вызывающего изменение емкости, т. е. за счет мощности, под­ водимой от генератора накачки. В этом принципиальное отличие рабо­ ты параметрических усилителей и преобразователей от обычных элект­ ронных усилителей и преобразователей, в которых усиление происхо­ дит за счет мощности источника постоянного тока.

Из приведенного описания принципа усиления следует, казалось бы, необходимость жесткого частотного и фазового синхронизма между сигналом и накачкой, что трудно реализовать. На самом деле такой синхронизм не нужен.

11

Если условия частотного и фазового синхронизма в схеме не вы­ полняются, то круговая частота напряжения сигнала <в0 не будет точно равна половине круговой частоты изменений емкости соп . Поэтому, как вытекает из принципа действия схемы, напряжение на емкости будет напоминать картину биений с несущей частотой 0,5 сои и частотой бие­ ний, равной 0,5 ю н — ю0 . В этом случае в некоторые моменты времени фазы напряжения сигнала и изменений емкости будут оптимальными

c(coHt) -

\ i(t)=I0cos(coDt+<P0,) 1> со-соо:

«игр

т

Рис. 1.2. Упрощенная схема управляемого генератором тока параметрического усилителя с переменной емкостью, частота накачки которого не зависит ог часто­ ты и фазы усиливаемого сигнала.

мощности сигнала. Автоматического выполнения фазового и частотно­ го синхронизма можно достичь, обеспечивая возникновение на зажи-

Рис. 1.3. Упрощенная схема управляемого генератором напряжения параметриче­ ского усилителя с переменной емкостью, частота накачки которого не зависит от частоты и фазы усиливаемого сигнала.

мах переменной емкости напряжений с двумя частотами, соответствую­ щими процессу биений, т. е. с частотами

со0 — это частота усиливаемого сигнала, а частоту ©г из (1.3) назовем разностной или холостой. Выделяющаяся в контуре, настроенном на частоту ©j, мощность потерь не является полезной.

Приведенные качественные объяснения эффекта усиления мощ­ ности на переменной емкости, при заданном токе сигнала, справедливы также и-в случае заданного напряжения сигнала. На основе аналогич­ ных рассуждений получаем простейшую схему усилителя (рис. 1.3),

12

которая'отличается от рассмотренной (рис. 1.2) иным характером ре­ зонансных контуров и способом связи их с переменной емкостью. В то же время эти схемы объединяются тем, что в обеих сопротивле­ ния источника сигнала и нагрузки находятся в общем контуре. Такое построение дает возможность обратного воздействия усилителя на источник сигнала (антенну), что характерно для всех усилителей с от­ рицательной проводимостью или сопротивлением в контуре сигнала. Дальнейший детальный анализ покажет, что диодные параметриче­ ские усилители, а также некоторые разновидности преобразователей принадлежат именно к этой группе схем.

20]

15

10

5

F

2

1

К1 Ю2 Ю1 fo Я!< ЮвМгц Я*

Рис. 1.4. Типичные зависимости температуры шумов, коэффициента шума и тем­ пературы шума антенны, направленной параллельно и перпендикулярно к горизон­ ту, от частоты.

Диодные параметрические усилители и преобразователи являются в принципе электронными схемами с малыми внутренними шумами, так как основным элементом, передающим мощность источника пита­ ния на выход схемы, является реактивный элемент без потерь. Однако на практике запертый р-п переход имеет небольшие потери, являю­ щиеся источником тепловых шумов и определяющие минимальный уровень внутренних шумов усилителя либо преобразователя.

На рис. \Л представлена зависимость температуры шумов от час­ тоты для типичных входных устройств СВЧ, таких как усилитель на лампе бегущей волны (ЛБВ), смеситель с обычным полупроводниковым диодом (См), триодный ламповый усилитель (УЛ), транзисторный уси­ литель (УТ), усилитель с туннельным диодом (УТД), а также мазер (М)„ Здесь же указана минимальная шумовая температура антенны, ориен­ тированной параллельно (Лг ) и перпендикулярно (Ав) горизонту. Пред­ ставленные зависимости следует понимать как усреднение теоретичес­ ких и экспериментальных результатов, а проводимые на их основе срав-

13

нения могут иметь лишь качественный характер1 5 . Из них следует, что ниже частот 400—500 Мгц применять параметрические усилители неце­ лесообразно, поскольку внешние шумы, принимаемые антенной, на­ столько велики, что вполне достаточно использовать обычные лампо­ вые либо транзисторные усилители.

Практически охлаждаемый до температуры 10—20° К параметри­ ческий усилитель в сантиметровом диапазоне имеет шумовую темпе­ ратуру менее 20° К, как и мазер бегущей волны. Однако параметри­ ческий усилитель имеет существенно более широкую полосу пропуска­ ния, не требует охлаждения до гелиевых температур (4,2° К или ниже)

изначительно дешевле.

1.2.ТИПЫ ДИОДНЫХ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ

ИПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Прежде чем приступить к классификации рассматриваемых устройств, отметим, что параметрические усилители и преобразователи с емкостным диодом являются одной из разновидностей параметриче­ ских схем, в состав которых входят также умножители частоты, мощ­ ные смесители, ограничители амплитуды, схемы автоматической под­ стройки и т. д.

Различают очень много известных и успешно применяемых на практике разновидностей параметрических усилителей и преобразо­ вателей с емкостным диодом. С точки зрения физической структуры эти схемы можно разделить на устройства:

—с резонансными контурами или резонансные;

—с периодической структурой, использующие эффект взаимо­ действия волн сигнальной, холостой и накачки в периодической струк­ туре, которую образует волновод, периодически нагруженный емкост­ ными диодами. Их иначе называют устройствами с бегущей волной (см. гл. 7).

Другим критерием разделения может быть степень направленно­ сти передачи мощности; при этом различают устройства:

—ненаправленные, характеризующиеся сильным воздействием входного контура схемы на процессы в выходном контуре (см. гл. 3—5);

—направленные, характеризующиеся либо полной невзаим­

14