§2.2.4 Параметрический генератор(параметрон).

Схема параметрического генератора может быть осуществлена с параметрического усилителя.

Если соответствующей зоны неустойчивости, то в системе неизбежно возбудятся нарастающие колебания. Этот процесс носит название -параметрическое возбуждение колебаний. Наиболее распространённой является следующая схема параметрона (см.Рис.).

Это балансная схема, одноконтурная. Варикапы за счёт смещения Е_см находятся в закрытом состоянии. На них в закрытом состоянии синфазно подаётся ток накачки. Если мы подключаемся точно в середине, то магнитные потоки генератора накачки в катушке индуктивности компенсируются за счёт встречного направления включения варикапов.

Если то.

Частота резонанса такой системы , где- значение ёмкости покоя варикапа. Одновременно с накачкой подаётся сигнал. Пока он мал, происходит усиление сигнала, а когда он выходит в нелинейную область вольт кулоновской характеристики варикапа, происходит ограничение усиления. Параметрон – это устройство с двумя устойчивыми состояниями

Параметрон можно использовать в качестве элемента памяти. Например, первое состояние , соответствует единице, второе -, нулевому значению.

Если , то частота сигнала равна частоте выходного сигнала и нет ничего интересного. Если же, тот.е. можно получить параметрический умножитель частоты.

§2.2. Двухконтурные параметрические системы.

Для одноконтурного параметрического усилителя, по материалам предыдущего параграфа, можно построить графики для спектров входного сигнала, генератора накачки и выходного колебания.

спектр колебаний генератора накачки

Спектр входного сигнала

т.к. Т.к. частота , то появление двух спектральных линий на одной частоте будет вызывать различные случаи, поведения колебательной цепи. Когда частотные линии складываются синфазно –происходит усиление колебаний. В случае, когда спектральные линии складываются противофазно, происходит подавление колебаний сигнала.

Т.о. нам необходимо разделить эти две линии. Это, возможно, выполнить с помощью 2-х контурного параметрического усилителя. Что при этом происходит?

Рассмотрим 2^х частотный, 3^х контурный параметрический усилитель. Определим: будет ли в этом случае усиление сигнала? Теперь система должна быть 3-х частотной:

Ответ на этот вопрос дает фундаментальная теорема Менли-Роу, доказанная около 50 лет назад (1956 г.).

§2.2.1Теорема Менли-Роу.

Эта теорема играет фундаментальную роль в радиофизике и радиотехнике и позволяет, оценит энергетические возможности нелинейных и параметрических систем.

Проведём нестрогое рассмотрение теоремы Менли-Роу. Рассмотрим 3-х контурную систему, содержащую нелинейный реактивный элемент (например, ёмкость - варикап).

Так как каждый контур настроен на определённую частоту, то контуры образованы отдельно друг от друга. Последний контур – это выходной контур. Так как у нас нелинейная ёмкость, то возникнут частоты равные , где

Пусть . В этом случае возникнут колебания в третьем контуре. У него источником является нелинейная ёмкость. Пусть возник такой режим и установились стационарные колебания.

Пусть - средняя мощность за большой момент времени (если напримерпорядка гигагерц, то время за которое происходит установление колебаний может быть всего лишь около 1 сек).

Так как за длительное время режим установился, тогда на ёмкости нет ни рассеяния энергии, ни накопления, и следовательно:

- энергия колебаний за один период, соответствующие частоты колебаний.

Тогда

Следовательно

Это равенство нулю не должно зависеть от частот , следовательно

Следовательно, так как , получаем:

- это соотношение и является результатом теоремы Менли-Роу, Для случая, когда количество контуров минимально (два).

Рассмотрим 2-х контурный (3-х частотный) параметрический усилитель.

I вариант

В третьем контуре нет никаких источников, поэтому по отношению к нему, ёмкость вносит энергию в третий контур. Следовательно на третьем контуре ёмкость энергию расходует и поэтому . Следовательно из последней системы уравнений вытекает, что. Значит энергия, передаваемая в третий контур вносится и сигналом и накачкой. Кроме того мощности соотносятся прямо пропорционально частотам колебаний каждого из контуров.

.

Нарисуем спектрограммы мощностей:

- так как мощности пропорциональны частотам, тогда это можно представить графиком представленным на следующем Рис. Пусть /

Коэффициент усиления по мощности

- это мощность затраченная, а - усиленная мощность.

Следовательно – это усилитель мощности не регенеративного типа, так как энергия передается из контура 1 в 3 и из 2 в 3, а из 2 в 3 нет. Это будет линейный усилитель, так как сигнал управляет уровнем отбора энергии от генератора накачки по линейному закону.

Выводы:

1)Это усилитель не регенеративного типа (генератор накачки не увеличивает энергию сигнального контура)

2)Частота колебаний генератора накачки может быть как больше, так и меньше частоты сигнала. Но чем больше , тем большее значение принимает.

3)В таком усилителе происходит усиление с преобразованием частоты вверх.

4)Повышение значения частот создаёт технические трудности при использовании 2-х контурного параметрического усилителя в диапазоне СВЧ.

II Вариант

Необходимо, чтобы

(Случай приведёт к тому, что ,, т.е. энергия будет отбираться из сигнального контура и вноситься в контур генератора накачки. Т.о. усилителя не будет.).

По прежнему , т.к 3-й контур лишь потребляет энергию (это холостой контур). Тогда из теоремы Менли-Роу, следует, что

Вэтом случае генератор накачки вносит энергию, как в контур нагрузки, так и в сигнальный контур. Поэтому если вносимая энергия превысит уровень потерь, то этот усилитель превратится в генератор. Следовательно, у нас регенеративное усиление и мощность можно снимать как с сигнального контура, так и с контура нагрузки.

При этом P₃=P_н это доля мощности внесенная в сигнальный контур, в отличии от первого рассмотренного варианта.

Кроме того f ₁ не может находится, слева от f_c (m=1,n=-1), поэтому , т.к. полезную мощность можно снимать как с нагрузочного контура, так и с сигнального, следовательно для случая f_н<2f_c , т.к. Р₃=Р_х>Р₂=Р_с, усиленный сигнал выгодней снимать с холостого контура. Если же f_н>2f_c ,т.к. Р₃=Р_х<Р₂=Р_с, усиленный сигнал выгодней снимать с сигнального контура.

Вывод: В рассмотренных случаях мощность генератора накачки вносится не только в третий контур (холостой), но и во второй (сигнальный), компенсируя при этом в нем потери. Следовательно, это усилитель регенеративного типа. И мощность генератора накачки в таком усилителе не должна превышать некоторый уровень, иначе усилитель превратится в автогенератор. В этом усилителе f_н обязательно больше f_с. Если она больше f_с, но меньше чем 2 f_с, то целесообразно выходной сигнал извлекать из сигнального контура. Если f_н больше, чем 2 f_с, то выгодней усиленное колебание извлекать из 3^го контура.