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

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

— двухчастотные1 ', в которых важны, кроме частоты накачки сои ,

результатом взаимодействия двух гармонических процессов — с час­ тотой со0 (сигнал) и с частотой а>н (накачка) — на нелинейной емкости (см. гл. 3, 5, 6).

В качестве критерия разделения параметрических усилителей может быть также использована степень разделения боковых полос, возникающих в схеме; при этом различают схемы:

—невырожденные, в которых можно выделить мощность отдель­ ных частотных полос в отдельных электрических контурах (см. гл. 4);

—вырожденные, в которых спектры частот сигнала и боковых полос, возникающих в схеме, так накладываются друг на друга, что невозможно выделить их мощность в отдельных контурах (см. гл. 5).

Кроме того, параметрические усилители и преобразователи можно еще подразделить с точки зрения дополнительных функций, которые выполняют те или иные элементы и контуры, интегрально с ними свя­ занные, вследствие чего различают устройства: со сверхрегенерацией; с компенсацией некоторых спектральных составляющих (см. гл. 6).

И, наконец, схемы параметрических усилителей и преобразова­ телей можно подразделять в зависимости от способа накачки р-п пе­ рехода. Эта проблема подробнее обсуждается в гл. 2.

1.3. К ИСТОРИИ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СХЕМ

Рассматриваемые схемы параметрических усилителей и преобразо­ вателей относятся к линейным электрическим цепям с переменными па­ раметрами. Математические проблемы, возникающие при анализе та­ ких схем, относятся к теории линейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами. Математическую задачу решения си­ стемы этих уравнений сформулировал впервые, по-видимому, Эйлер, который в 1772 г., исследуя уравнения движения Луны дал и ме­ тоды их решения. С того момента и по сегодняшний день эти проблемы были и являются предметом изучения очень многих исследователей, в том числе Ляпунова, Хилла, Матье, Уиттакера, Стретта, Флоке, Ващенко-Захарченко, Крылова, >Тафта, Ван дер Поля, Леона, Дар­ лингтона и других.

классификация по следующим причинам: при математическом анализе частота накачки входит не как напряжение, а как модуляция параметра. Порядок урав ­ нений равен числу частот без накачки; требования к сигнальной и холостой це­

15

В X I X веке были приведены многочисленные экспериментальные исследования в области механики, которые сегодня, по прошествии стольких лет, можно оценить как первые экспериментальные работы по параметрическому возбуждению и усилению колебаний. К этим исследованиям можно причислить, например, наблюдение колебаний жидкости, возбуждаемых упругими мембранами, проведенное Фарадеем в 1831 г., а также подобное наблюдение поперечных колебаний струны под влиянием периодических изменений сил продольного натяжения, выполненное Мельде в 1860 г. Эти эксперименты обобщил, объяснил с математической точки зрения, а также дополнил дальнейшими иссле­ дованиями с маятниковой системой, возбуждаемой двумя независимы­ ми колебаниями с двумя разными частотами, Релей в 1883 г. Схему, которой он пользовался в своих экспериментах, можно считать близ­ ким аналогом современных параметрических усилителей.

Проблемы параметрического возбуждения колебаний в электро­ технике возникли впервые в 1907 г. благодаря теоретическим работам Пуанкаре. В 1917 г. Хартли показал, что нелинейный реактивный эле­ мент, находящийся под воздействием двух сигналов с разными часто­ тами, можно использовать в качестве модулятора, обеспечивающего усиление мощности, и даже привести его в состояние возбуждения при достаточно большом сигнале накачки. Тридцатые годы нынешнего сто­ летия являются периодом необычайного развития теории и техники параметрических схем благодаря работам целой школы советских ученых, к которой принадлежат Мандельштам, Папалекси, Горелик, Рытов, Рубчинский, Андронов, Дивильковский, Мигулин и др.

Заслугой этой школы является, например, то, что они впервые по­ казали возможность усиления и генерации электрических сигналов в электрических цепях с переменными параметрами; разработали теорию параметрического резонанса, которая была подтверждена многочисленными экспериментами, в том числе и в диапазоне радио­ частот, а также указали на многие практические применения парамет­ рических схем, например при фильтрации сигналов не только по час­ тотам, но и по форме огибающей сигнала. Причиной того, что эти рабо­ ты не нашли тогда широкого применения, было отсутствие реактивных элементов с легко управляемыми параметрами. В тот период обращали внимание почти исключительно на нелинейные магнитные элементы с железом либо на конденсаторы, емкость которых изменялась механи­ ческим способом. В этом случае механическое управление реактивны­ ми элементами со скоростями, соответствующими радиочастотам, про­ сто невозможно.

В пятидесятых годах в связи с очень быстрым развитием полу­ проводниковых приборов и простотой электрического управления их параметрами с частотами вплоть до СВЧ работы в области теории и при­ менения параметрических усилителей и преобразователей с управляе­ мой реактивностью достигли вершины развития. На основе работ Торри, Уитмера и Ван дер Зила, показавших возможность получения ма­ лых собственных шумов в приемных устройствах, в которых применен усилитель или преобразователь с р-п переходом, подвергнутым воз­ действию накачки, а также вследствие необходимости реализовать уси-

16

лительные схемы с малым коэффициентом шума, пригодные для работы в диапазонах УКВ и СВЧ, было проделано и опубликовано свыше ты­ сячи научных работ, касающихся теории, конструирования и приме­ нения этих устройств.

Поскольку обсуждение этих публикаций не является целью дан­ ной книги1 ', ограничимся лишь указанием главных направлений и эта­ пов этого очень быстро прогрессирующего процесса развития. Мэнли и Роу вывели фундаментальные соотношения, касающиеся энергети­ ческих преобразований в нелинейном реактивном элементе. Болле, Дезоер, Дуинкер, Заде, Ленковский, Леон и многие другие разрабо­ тали методы анализа линейных параметрических систем. Улир деталь­ но описал специфику поведения р-п перехода в диапазоне сверхвысо­ ких частот и указал на практические выгоды, вытекающие из его при­ менения в этом диапазоне для усиления и преобразования. Практи­ ческой стороной реализации параметрических усилителей и преобразо­ вателей с полупроводниковым диодом и оценкой их рабочих парамет­ ров занимались Хеффнер и Уэйд, Блум и Чанг, Линов, Энгелбрехт, Курокава и Хамасаки, Кнехтли и Веглейн, Блекуэлл и Коцебу, Пенфилд и Рэфьюз, Эткин и Гершензон, Крохин, Белоусов, Гоноровский, Васильев, Слободенюк, Трифонов и Хотунцев, а также многие дру­ гие. Особые заслуги в области анализа шумовых свойств параметри­ ческих систем, а также минимизации их внутренних шумов имеют та­ кие исследователи, как Уэнохара, Курокава, Хаус, Пенфилд, Фишер и другие. Работы Германна, Матеи, Гилдена, Хеноха, Ку, Куу, Фукады, Де Ягера явились основой теории и конструирования широ­ кополосных параметрических усилителей и преобразователей. Адаме, Андерсен и Оукленд, Ликш, Метьюз и Бервис, Грегори и другие прово­ дили теоретические и экспериментальные исследования влияния бо­ ковых полос на работу параметрических усилителей и преобразова­ телей, а также роли высших гармоник емкости или эластанса на уси­ ление, стабильность и прочие параметры этих схем.

В литературе появились сообщения о конструкциях параметри­ ческих усилителей и преобразователей с чрезвычайно малыми шумами, а на электронных рынках многих стран имеются в продаже готовые образцы таких устройств, а также пригодные для применения в них полупроводниковые диоды.

Стоит упомянуть, что развитие параметрических систем, вне сом­ нения, стало косвенной причиной прогресса во многих других облас­ тях СВЧ техники. Достаточно указать на большие успехи в области конструирования невзаимных элементов (вентилей и циркуляторов), потребность в которых в диапазонах УКВ и СВЧ возросла с того момен­ та, когда применение параметрических систем стало обычным делом. Точно также наметилась активизация работ в области теории шумов линейных цепей, являющаяся вне всякого сомнения результатом раз-

1 ' Список важнейших публикаций, связанных с тематикой конкретной гла­ вы, находится в конце каждой главы. Список литературы для гл. 1 охватывает публикации общего характера по тематике диодных параметрических усилите­ лей и преобразователей.

17

ГЛАВА ВТОРАЯ

ОСНОВЫ ТЕОРИИ УСИЛИТЕЛЬНЫХ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СХЕМ НА ДИОДЕ

Разработка теории усилительных параметрических схем с ре­ альным диодом с накачкой является, вообще говоря, очень сложной задачей из области нелинейного анализа. Точное решение системы уравнений,, описывающих диодный параметрический усилитель или преобразователь, в общем случае невозможно получить с помощью элементарных функций [67]. Сконструированные и сегодня уже широ­ ко применяемые схемы рассматриваемых устройств позволяют ввести в их общую теорию ряд принципиальных и практически обоснованных отдельных допущений, которые упрощают анализ и обеспечивают полу­ чение решений в виде, пригодном для определения некоторых общих свойств схем.

К наиважнейшим упрощающим предположениям относятся:

а) условие малого1 '—по отношению к уровню мощности накач­ к и — уровня усиливаемого либо преобразуемого сигнала2 ';

б) допущение, что в цепи параметрической схемы имеются полоснопропускающие и полосно-запирающие фильтры, выделяющие сигна­ лы соответствующих полезных частотных полос и предотвращающие возможность выделения мощности сигналов с нежелательными часто­ тами3* ;

в) возможность представлять в диапазоне СВЧ нелинейный ем­ костный элемент с потерями (р-п переход) в виде двухполюсника из последовательно соединенных линейного сопротивления потерь JRS и не-

J ) Эффект большого сигнала исследовал, в частности, Мэнли в работе [59] . 2 ) Сигнал можно считать малым, если его влиянием на накачку можно пре­ небречь. Практически это приближение является очень хорошим, так как при­ нимаемый сигнал значительно меньше накачки. Учитывать влияние сигнала на накачку нужно только при нахождении динамического диапазона усилителя.

(Прим. ред.)

? > Это предложение сформулировано не точно. Необходимо, чтобы нормаль­ ные частоты сложной колебательной системы, содержащей диод, совпадали с сигнальной и боковой частотами, и в схеме должны отсутствовать паразитные резонансы. Обычно для наглядности каждому нормальному колебанию на ри­ сунке соответствует свой контур, при этом считается, что токи других частот через контур не идут. Такой рисунок упрощает рассмотрение, но наличие фильтров в колебательной системе усилителя не обязательно. В настоящее время фильтры выносятся из колебательной системы усилителя и часто совмещаются с корректи­ рующими цепями (см. дополнение).

Единственным допущением инженерной теории параметрического усили­ теля .является предложение, что амплитуды «нерабочих» частот малы и ими

19