книги из ГПНТБ / Грабовски, К. Параметрические усилители и преобразователи с емкостным диодом

автоматически обеспечивает согласование на входе и выходе усилите­ ля, независимо от коэффициентов отражения генератора (Гх ) и прием­

От антенны

Рис. 4.22. Упрощенная эквивалентная схема параметрического усилителя, в ко­ торой связь с генератором и приемником осуществляется при помощи двух трехплечих циркуляторов, эквивалентных одному четырехплечему.

усилителя сводятся к характеристикам усилителя с трехплечим циркулятором (4.145) — (4.149). Следует при этом заметить, что на шу­ мовые характеристики усилителя не воздействует температура Тш нагрузки в плече 4 циркулятора, так как она не влияет (при Г\ = 0) на шумы всего усилителя.

Следует отметить, что вместо четырехплечего циркулятора можно использовать два.трехплечих (рис. 4.22), которые обладают теми же свойствами.

141

4.4.7.КАСКАДНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ

СП О М О Щ Ь Ю Ц И Р К У Л Я Т О Р О В

С практической точки зрения очень важен случай, когда для уве­ личения полосы пропускания и получения большого стабильного уси­ ления с малыми шумами [7, 28, 33, 64] возникает необходимость в ка­ скадном соединении параметрических усилителей (рис. 4.23). Здесь может быть использован изложенный ранее расчет параметрического усилителя с четырехплечим циркулятором, так как свойства усилителя на рис. 4.23 аналогичны свойствам усилителя на рис. 4.22 при усло­ вии замены коэффициента отражения Г2 произведения Г2 Г6 (рис. 4.24).

Подобные рассуждения следует отнести к большему числу параметри­ ческих усилителей, каскадно соединенных с помощью многоплечего циркулятора. В этом случае вместо коэффициента Г2 в выражениях (4.151) — (4.156) следует подставить произведение коэффициентов от­ ражения отрицательных сопротивлений, «видимых» циркулятором, всех накачиваемых емкостных диодов вместе с резонансными контура­ ми, сигнальными и холостыми1 '.

4.4.8.ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ С ВЕНТИЛЯМИ

тивлением емкостного диода используются два идеальных вентиля. Такая схема имеет серьезные недостатки по сравнению со схемой с цир­ кулятором и ее применение может быть оправдано лишь при отсутствии последнего. Однако по сравнению со схемами с трансформаторной связью либо с непосредственной связью эта схема обладает некоторыми преимуществами.

*> Так как реальные циркуляторы имеют конечные развязки и неидеально согласованы, то при каскадировании (рис. 4.22) необходим вентиль или цнркулятор в вентильном режиме между каскадами. (Прим. ред.)

142

где параметры 5 2 i , 5 3 1 и SS2 можно либо измерить, основываясь на определении матрицы рассеяния, либо в случае, когда можно восполь­

противление выходного плеча первого вентиля и характеристическое сопротивление входного плеча второго вентиля. Значение символа Z n 2 было определено ранее (4.79) и (4.80).

Элементы матрицы [2] рассчитаем, как и ранее, согласно (4.84), (4.87) и (4.139):

Параметры усилителя определены следующими зависимостями:

143

м... Г о т р 1 ^ 2 | 2 ( [ Г 2 | а - 1 ) + Г ш { 1 ^ | 5 3 2 1 ^ | Г 2 | 2 - 1 ) - 1 5 3 2 5 2 1 Г 2 ^ . 5 з 1 1 ! ! ( 1 - | Г 1 | а ) }

Максимальное усиление и минимальная эффективная обменная температура шума на входе обеспечиваются при выполнении условия

цепь связи должна быть выполнена таким образом, чтобы обеспечи­ валось большое значение модуля выражения 5 3 1 + S3 2 S2 1 r2 .

2. Среди членов этого выражения особого внимания заслуживает коэффициент рассеяния S-ц. Чем больше его абсолютная величина, тем больше усиление и меньше эффективная обменная температура

На практике это достигается путем выбора соответствующих плоско­ стей отсчета линий передачи, между которыми или в которых измеря­

Отсюда видно влияние S 2 1 на обменную температуру шума усили­ теля. При этих лее допущениях выражение для обменного усиления

Тогда шумовое число

Следует заметить, что на практике не удается достичь наиболее выгодного случая, когда 5 2 1 = 1, поскольку даже при идеальных циркуляторах цепи связи всегда имеет место соотношение

причем без невзаимного устройства типа циркулятора для схемы на рис. 4.25 нельзя получить условий, когда одновременно

Последнее условие является необходимым для того, чтобы имела место передача усиленной мощности в приемник. В предельном слу­ чае, когда усиление велико (4.168), рассматриваемый усилитель уступа­ ет усилителям с циркулятором с точки зрения шумовых свойств. Уси­ ление при том же коэффициенте отражения Г2 будет меньше примерно в 5 3 2 5 2 1 раз усиления параметрического усилителя с циркулятором. Невзаимные свойства обоих вентилей обеспечивают отсутствие отра­ жений на входе и выходе (4.162) — (4.163), что следует отнести к до­ стоинствам этого типа усилителя.

4.5.МНОГОЧАСТОТНЫЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ

УСИЛИТЕЛИ

Для получения малых собственных шумов в параметрическом уси­ лителе обычно требуется применять частоты накачки (4.15), (4.18), (4.24), (4.30), значительно превышающие частоту сигнала. Если не­ обходимо усилить наиболее короткие волны СВЧ диапазона (милли­ метровые и более короткие), становится трудно получить достаточно высокую мощность накачки на достаточно высокой частоте. Частично исключить эти трудности можно путем:

—использования для процесса усиления более высоких, нежели первая, гармоник эластанса перехода с накачкой;

—применения более чем одного генератора накачки для управле­ ния эластансом перехода;

—усложнения схемы усилителя, заключающегося в увеличении

числа резонансных холостых контуров, настроенных на частоты <Bj n = = псов —со0 , где п—число натурального ряда от 2 до 10 и даже более.

Все эти способы позволяют применить для параметрического уси­ ления генераторы накачки, частота которых ниже частоты усиливае­ мого сигнала.

4.5.1. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ, И С П О Л Ь З У Ю Щ И Й Г А Р М О Н И К И ЭЛАСТАНСА « Н А К А Ч И В А Е М О Г О » П Е Р Е Х О Д А

Как уже известно из гл. 2, при накачке реальных р-п переходов всегда возникают более высокие, чем первая, гармоники эластанса пе­ рехода, за исключением некоторых идеализированных случаев накач­ ки с помощью идеальных генераторов тока или напряжения. Схемы усилителей, как и схемы преобразователей (§3.2.4), можно [16] выпол-

145

нить таким образом, чтобы (рис. 4.26) холостой контур был настроен на частоту

где п = 1,^2, 3.

Х(ы0) Г R,

v 'и-П

Рис. 4.26. Эквивалентная схема параметрического усилителя с использованием гармоник эластанса «накачиваемого» перехода.

Тогда системы уравнений (4.1) обычного параметрического уси­ лителя модифицируются к следующему виду:

Поэтому можно использовать все предыдущие результаты при условии указанной замены. Отсюда следует, что в рассматриваемом случае имеют место меньшие значения динамических добротностей диода, поскольку, — как это следует из гл. 2, — для типичных пере­ ходов выполняется неравенство

В принципе возможны два случая накачки р-п переходов: на опти­ мальной — с точки зрения достижения минимальных шумов — час­ тоте с мощностью, недостаточной для получения | Sa | м а к с и на n-й суб­ гармонике этой оптимальной частоты. При этом возможно, что при не­ достаточной мощности накачки п-я гармоника эластанса | Sn | будет больше первой \S1\. Тогда лучшие результаты обеспечивает накачка на субгармонике оптимальной частоты накачки при использовании

146

соответствующей гармоники эластанса. Очевидно, что в данном слу­ чае необходимо дополнительно обсудить решения, приведенные в § 4.3.4, для исследования возможности получить лучшие результа­ ты путем использования имеющихся СВЧ генераторов с другими час­ тотами1 1 .

4.5.2. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ, В К О Т О Р О М И С П О Л Ь З У Ю Т С Я Д В А И БОЛЕЕ ГЕНЕРАТОРОВ НАКАЧКИ

В этой разновидности параметрических усилителей [71] исполь­ зуется тот факт, что при одновременном действии в цепи накачки двух генераторов с большими амплитудами после установления в схе­ ме стационарного режима ход изменения эластанса будет периодиче­ ским процессом. Его период является общим для обоих процессов на­ качки; тогда при условии малого усиливаемого сигнала зависимость для дифференциального эластанса перехода записывается в виде

где k и / — целые числа.

Из этого следует, что для усиления можно использовать гармонику

Анализ усилителя в случае малого сигнала при этом усложняется весьма незначительно2 ', поэтому, чтобы использовать полученные ранее решения для простейших параметрических усили­ телей, следует лишь заменить в них

переход используется одновременно как умножитель и как усилительный диод. Как правило, разделение этих функций между двумя диодами позволяет полнее

147

сигнала равняется резонансной частоте со; одного из холостых кон-, туров. Однако этот тип усилителя характеризуется некоторыми спе­ цифическими свойствами, которые привели к тому, что он вообще не нашел никакого практического применения.

Для уяснения существа дела рассмотрим пример, представленный

которая примерно в три раза меньше полосы частот сигнала, а также три частоты накачки, интервалы между которыми приближенно соот­ ветствуют полосе частот холостого контура. Легко убедиться, что не­ смотря на узкую полосу пропускания холостого контура, каждая из частот полосы сигнала может быть усилена, поскольку всегда одну из

трех частот накачки можно использовать таким образом, чтобы полученная холостая частота оказалась в полосе пропускания хо­ лостого контура. Если, однако, в сигнальную цепь будет введен мо­ дулированный сигнал, который на рис. 4.28 представлен упрощенно в виде двух боковых частот, то очевидно, что его спектр не может со­ держаться в большей полос частот, нежели узкая полоса попускания холостого контура. Иначе говоря, усилитель имеет широкую полосу, когда речь идет о диапазоне перестройки, и узкую, если речь идет о мо­ дуляции усиливаемого сигнала. Дополнительным осложнением в таком усилителе является наложение в сигнальном контуре спектров усили­ ваемого сигнала, связанных с разными частотами накачки. В результа­ те становится невозможным различить спектры, возникающие от обе­ их боковых частот модуляции сигнала, и возникают очень сильные искажения, которых очень трудно избежать1 '.

4.5.3.ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ С Н Е С К О Л Ь К И М И

ХО Л О С Т Ы М И К О Н Т У Р А М И

Вотличие от описанных выше схем для работы рассматриваемого типа усилителя достаточно [34] возникновения лишь первой гармоники Sx эластанса при воздействии накачки. Конкретные холостые контуры

(рис. 4.29), настроенные на частоты ®in (4.175), с помощью только пер-

Х ) Другой недостаток такой схемы — худшее использование диода из-за невозможности получить большие S x для каждой частоты накачки. Ввиду х о ­ роших результатов, полученных при технической реализации «стандартных» двухчастотных схем, которые приведены в дополнении, схемы с многими на­ качками сейчас не применяются. (Прим. ред.)

149