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

Для преобразования (6.39) в уравнения четырехполюсника при­ мем в соответствии с действительностью (рис. 6.3), что в холостом контуре отсутствуют возбуждающие напряжения, т. е.

191

и, кроме того, импеданс Z в схеме на рис. 6.3 должен быть чисто ре­ активным и иметь индуктивный характер на частоте м0 . Легко убе­ диться, что если эту реактивность выбрать так, чтобы удовлетворялось условие (6.60), то имеем не только

Входной и выходной импедансы в этом случае равны (6.40), (6.51), (6.54):

результатах (6.59) достижимое усиление по мощности для усилителя выражается простым соотношением

192

где, как и ранее, Tz— температура внешних цепей относительно диода, находящегося при температуре Т д . Поскольку корреляция между спек­ тральными плотностями мощности шумов, возникающих от каждого из источников, не наблюдается, то эффективная входная температура шума усилителя может быть представлена следующей зависимостью1 ':

где каждая составляющая представляет собой среднеквадратичное значение напряжения шумов на выходе (первый индекс 2) ненагруженного усилителя, возникающего из-за тепловых шумов в соответ­ ствующем контуре (второй индекс--1, 2 или 3) либо на сопротивлении RT, находящемся при нормальной температуре Т0 (выражение в зна­ менателе), на соответствующей частоте (третий индекс — 0, I, 1).

Из зависимостей (6.45), (6.61), (6.62), (6.70) — (6.72), (6.76) полу­

чаем

Аналогично после многих алгебраических преобразований из вы­ ражений (6.39), (6.51)—(6.53), (6.60), (6.70)—(6.72), (6.78), (6.79) по­ лучаем формулы

по аналогии с (6.81) получим

1 } Эта зависимость вытекает непосредственно из определения эффективной шумовой температуры, а также из определения | £ m , n , f t |2 в (6.80). Появляющаяся в числителе и знаменателе одна и та же действительная величина выходного импеданса согласно эквивалентной схеме Тевеиина сокращается.

194

После подстановки этих величин в (6.80) получим

причем для того чтобы усилитель был согласованным и не возбуждал­

Маурер и Лехерер [18, 20] теоретически и экспериментально ис­ следовали схему параметрического усилителя, работающего согласно рассмотренному принципу (рис. 6.4). На рис. 6.5 показан внешний вид такого усилителя, который предназначен для однонаправленного уси­ ления метровых волн (со0 = 2я-200 Мгц, сои = 2л • 940 Мац) и вы­ полнен на контурах с сосредоточенными постоянными. В центре полосы усиление составляет в одном направлении 8 дб, а в противоположном — 40 дб; температура шума Те = 520° К при неохлажденных диодах типа ОА1122 с последовательным сопротивлением Rs = 3 ом и эластансом 5 = 1 , 1 (пф)~г при напряжении смещения — 3 в. Наименьшие до­ стигнутые коэффициенты стоячей волны на входе и выходе усилителя равны, соответственно, 1,35 и 2,0, а это свидетельствует о том, что прак-

тически нельзя согласовать генератор с нагрузкой усилителя. Полоса усилителя составляет около 6 Мгцг\

Рассмотрим проект усилителя, предназначенного для работы в диапазоне СВЧ и выполненного на контурах с распределенными по­ стоянными. Принципиальной трудностью при реализации такого уси­ лителя, как и при реализации любой многоконтурной параметриче­

выбрать только частоту накачки со,,. Основным критерием этого вы­ бора является необходимость получения как можно меньшего отно­ шения со0/сй;, благодаря чему достигается низкая температура шума усилителя и большое усиление. Напомним, что условие расположения частоты сигнала в диапазоне L имеет еще один смысл: однонаправлен­ ность усилителя позволяет сконструировать на его основе параметри­ ческий циркулятор со значительно лучшими свойствами, чем кольце­ вые мосты или труднодоступные в этом диапазоне ферритовые циркуляторы. Допустим далее, что частота накачки находится в диапазоне X.

«детские болезни» параметрической техники и шумовых измерений. С появлением хороших циркуляторов и С В Ч транзисторов другие направления были оставлены.

Плохие параметры схемы объясняются тем, что в ней авторы пытались по­ лучить, как это было модно в то время, очень большое усиление —-/10 дб, и не смогли х о р о ш о настроить схему. Более правильно было бы ограничиться уси ­ лением 10—15 дб, после чего поставить либо циркулятор (здесь большие потери не опасны) или невзаимный транзисторный каскад, или второй параметрический каскад. (Прим. ред.)

196

выполнены Из отрезков несимметричной полосковой линий, два иден­ тичных элемента которой, содержащие последовательно включенные диоды, размещены непосредственно в волноводах, подводящих мощ­ ность накачки. Вход и выход усилителя с помощью отрезков воздуш­ ной коаксиальной линии соединены с фильтрами нижних частот, не пропускающими сигнал накачки и сигналы обеих холостых частот. Пе­ реход с коаксиальной линии на полосковую согласован путем подбора соответствующего диаметра отверстия в стенке волновода. Холостой

Рис. 6.6. Эскиз направленного параметрического усилителя волноводно-полоско- вой конструкции:

контур (рис. 6.7) представляет собой волноводный резонатор, настро­ енный на частоты обеих боковых /г (5) и fx (1) с помощью соответственно расположенных емкостных дисков (доступных с нижней части резона­ тора), а также регулируемых плунжеров на обоих концах резонатора. Связь диодов с холостым контуром осуществляется посредством зон­ дов 1, размещенных на таких расстояниях от плунжеров, чтобы в резо­ наторе можно было возбуждать два типа колебаний, которые соответст­ вуют его резонансным частотам.

На рис. 6.7 показана возможность одновременной настройки хо­ лостого контура на частоты обеих боковых ft и / х путем возбуждения соответствующих видов колебаний, причем расположение элементов настройки должно обеспечивать как можно более эффективное устра­ нение взаимных влияний. Холостой контур расположен под волново-

197

дами накачки на некотором расстоянии от них. Изменяя это расстоя­ ние, можно просто регулировать связь резонатора с диодами.

На верхней, внешней стенке резонатора размещен еще один отре­ зок несимметричной полосковой линии, соединяющий оба сигнальных контура, которые расположены внутри волноводов накачки (рис. 6.6). Зонды, связывающие диоды с холостым контуром, используются тут для гальванической связи полосковых контуров. Отрезок полосковой линии, соединяющей оба диода, содержит фильтры нижних частот для частоты сигнала f0, а также широкополосный индуктивный элемент, представляющий собой импеданс связи 2.

Рис. 6.7. Эскиз ХОЛОСТОГО резонатора (вид сверху), возбуждаемого колебаниями ТЕю2 (соответствующими резонансной частоте to,-). и ТЕюз (соответствующими резонансной частоте (Oi).

Согласование генератора накачки со схемой усилителя можно про­ водить отдельно для каждого диода при согласовании другого волноводного пути с нагрузкой. Развязку контуров накачки от сигналов хо­ лостых частот можно получить, поместив в каждой из ветвей полосовой фильтр, настроенный на / н .

6 . 2 . НАПРАВЛЕННЫЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Подобно рассмотренным усилителям направленные преобразова­ тели могут быть выполнены во многих модификациях. Мы ограничим­ ся обсуждением принципа действия двух типов этих устройств:

а) в которых полная однонаправленность достигается путем обес­ печения специальных фазовых и амплитудных условий для определен­ ного закона изменения напряжения или тока накачки одного р-п пе­ рехода, т. е. путем соблюдения определенного закона периодического изменения дифференциального зластанса в функции времени;

б) в которых помимо обратно смещенного р-п перехода используют также нелинейный резистивный элемент, причем оба линейных эле­ мента «накачиваются» с сохранением определенных фазовых соотно­ шений. '

198

6.2.1. П А Р А М Е Т Р И Ч Е С К И Е Н А П Р А В Л Е Н Н Ы Е П Р Е О Б Р А З О В А Т Е Л И С Е М К О С Т Н Ы М Д И О Д О М

Возможность достижения однонаправленности параметрического преобразователя рассмотрим на примере [9] схемы на рис. 6.8, в ко­ торой сигнал подается на частоте со0, а после преобразования и уси­ ления снимается на частоте со, = соп — со0 и, кроме того, допускается протекание тока через р-п переход с частотой сог 2 = —со_2 = 2 о о п —

— со0, возникающего в преобразователе благодаря допущению, что вторая гармоника эластанса отлична от нуля:

U., 2 _ « Л

4<-<n) \№)

На рис. 6.9 представлен граф прохождения сигнала1 ' в этом пре­ образователе, выполненный на основании принципов, изложенных в § 4.5.3. Пользуясь этим графом, легко убедиться, что условием одно­ направленности устройства, т. е. отсутствия реакции на входе на воз­ действие источников на выходе, является

199

свести к системе уравнений четырехполюсника при условии, что в кон­ туре, настроенном на частоту сй/ 2 , отсутствует возбуждение:

Если, например, контуры усилителя находятся в резонансе, а на­ чальный момент времени в разложении эластанса S(f) в ряд Фурье вы­ бран так, чтобы S± была вещественной, т. е.

то условием однонаправленности преобразователя является

Следует еще убедиться в том, что в преобразователе имеет место передача мощности со входа на выход. Положительный ответ получаем, вычисляя Z - 1 , ° , поскольку

Основные параметры однонаправленного преобразователя, кон­ туры которого настроены в резонанс, при этом выражаются следую­ щими зависимостями:

200