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

П р и л о ж е н и е П.1

ОБМЕННАЯ МОЩНОСТЬ, ОБМЕННОЕ УСИЛЕНИЕ МОЩНОСТИ,

А ТАКЖЕ ОБМЕННАЯ ВЫХОДНАЯ ТЕМПЕРАТУРА ШУМА [1]

В случае, когда внутренний импеданс источника мощности имеет отрица­ тельную вещественную часть, известное и широко используемое понятие распола­ гаемой мощности источника теряет свой смысл. Для пояснения напомним, что согласно определению располагаемая мощность Ррасп источника (генератора) представляет собой максимальную мощность, которую можно получить от дан­ ного источника (генератора) путем соответствующего изменения тока (либо на­

приведенное определение располагаемой мощности применить к этому же самому

го значения выходной мощности генератора как функции тока, отбираемого от

ка этого экстремума и, следовательно, знака самой мощности. При таком опре­ делении, независимо от знака вещественной части внутреннего импеданса источ­ ника, получаем единое выражение для этой мощности:

23?

Доставляющего максимально возможную мощность на зажимы генератора. Из сказанного видно, что понятие обменной мощности является значительно бо ­ лее общим, чем понятие располагаемой мощности.

По аналогии с понятием достижимого усиления мощности, являющегося отношением располагаемой мощности на выходе четырехполюсника к распола­ гаемой мощности генератора, под понятием усиления по обменной мощности по­ нимаем отношение обменной мощности на выходе четырехполюсника к обменной

в этом определении располагаемую мощность шума на обменную мощность шума. Тогда получим, что обменной входной температурой шума Те четырехполюсника называется температура шума (в градусах Кельвина) входного сопротивления идеального нешумящего усилителя, которая вызывает появление на его выходе такой же обменной мощности шума на один герц (на данной частоте), которая появилась бы на выходе реального усилителя, если бы на его входе находилось иешумящее сопротивление.

Под идеальным нешумящим усилителем понимается реальный усилитель, в котором отсутствуют внутренние источники шума и сопротивление нагрузки которого не шумит.

Вводя аналогичные изменения в определение коэффициента шума, получа­ ем, что обменным коэффициентом шума четырехполюсника называется отноше­ ние полной обменной мощности шума на выходе четырехполюсника на один герц (на данной частоте) к той части обменной мощности шума на выходе, к о ­ торая является результатом генерации шумов сопротивлением на входе четы­ рехполюсника. На практике принимается, что входное сопротивление усилителя

ности по какому-либо параметру, подобрать импеданс генератора — «согласо­ вать» генератор.

В диапазоне С В Ч положение несколько иное: всегда имеется тракт — длин­ ная линия передачи с каким-то волновым сопротивлением, и генератор должен быть согласован с этим сопротивлением. Только при этом условии [2] оптими­ зированный параметр сохраняется в диапазоне частот, не будет меняться от^длины линии передачи и мало изменится при небольшом изменении импеданса генера­ тора или антенны. Поэтому при измерениях мощности затухания или фазы всег­ да в качестве эталона берется волновое сопротивление тракта. К сожалению, в силу чисто исторических причин такая нормировка не соблюдается при теоре­ тическом рассмотрении шумов, хотя практически при измерениях эталоны шума тщательно согласовываются с линией передачи. Практически необходимое со ­ гласование осуществляется не в генераторе, а в самом усилителе и формула (П. 1.6) сохраняет силу.

233

ДО П О Л Н Е Н И Е

В.Р. Магнушевский, Л. Г. Соловей

ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ

© Издательство «Советское радио», 1974.

ГЛАВА I

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ СВЧ ДИАПАЗОНА

В главе дан краткий обзор и приведен ряд конструкций, харак­ теризующих современный уровень развития техники параметрических усилителей. В настоящее время в этой области достигнуты несомненные успехи, обусловленные в первую очередь совершенствованием методов расчета и конструирования. Немаловажную роль сыграл также про­ гресс, достигнутый в изготовлении полупроводниковых диодов, циркуляторов, твердотельных генераторов накачки, криогенных машин замкнутого цикла, а также успешное развитие технологии интеграль­ ных схем,

1.1.ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С ИСЗ

Созданные в последние годы малошумящие приемные системы для наземных станций связи с искусственными спутниками земли (ИСЗ) наиболее полно отражают успехи, достигнутые в технике параметри­ ческих усилителей [1—4]. Основными особенностями таких систем яв­ ляются:

— применение каскадной цепочки параметрических усилителей

сусилением 9—12 дб на каскад,

—широкие полосы пропускания — порядка 12%,

—охлаждение в вакууме входных каскадов параметрических усилителей до 15—20° К с помощью криогенных машин замкнутого цикла.

Рассмотрим конструкцию охлаждаемого параметрического уси­ лителя, разработанного фирмой GTE для малошумящего приемного устройства наземной станции системы связи с ИСЗ [4].

Приемное устройство построено по типичной для современных систем такого типа схеме и состоит из двух параметрических усилите­ лей, охлаждаемых до 20° К, и двух параметрических усилителей, термостатированных при температуре 55° С. Два первых каскада рас-

236

положены в вакуумном контейнере из нержавеющей стали. Последую­ щие два каскада помещены в термостат, в котором поддерживается температура 55° С + Г при изменении температуры окружающей среды от 0 до 50° С. Входная и выходная секции волноводов, а также волноводы накачки изготовлены из нержавеющей стали толщиной не более 0,25 мм и посеребрены. Элементы крепления этих волноводов к циркуляторам соединены с первой ступенью криогенной машины, имеющей температуру 80° К. К этой же ступени подсоединен тепловой экран, окружающий радиотехнические узлы, которые работают при <> 20° К.

Температура системы может быть доведена до рабочей (13—14° К) за 6,5 час при использовании криогенной машины хладопроизводительностыо 2 в/п на температурном уровне 20° К и за 2,5 час при исполь­ зовании криогенной машины с хладопроизводительностью 5 в/п.

В табл. 1.1 приведены величины коэффициентов усиления и тем­ пературы шумов каждого каскада приемного устройства, а также шу­ мовые температуры на входе каждого каскада.

Накачка параметрических усилителей производится от твердо­ тельного генератора (рис. 1.1) с частотой 26,6 Ггц, в котором для уп­ рощения конструкции и уменьшения паразитных гармоник исполь­ зуются только удвоители частоты. Все узлы развязаны с помощью циркуляторов, что обеспечивает независимость настройки-и возмож­ ность оперативной смены элементов в процессе эксплуатации. Неста­ бильность собственно генератора составляет 1,5 дб в диапазоне изме­ нения температур 0—50° С, при этом запас мощности всегда превышает 3,5 дб, что обеспечивает работу системы стабилизации мощности, дат­ чиком которой является ток параметрического диода.

Основным элементом колебательной системы усилителя (рис. 1.2, 1.3) является четырехзвенная ступенчатая структура / 2 — 1з, обеспе­ чивающая в плоскости В — В режим холостого хода на холостой ча­ стоте (в этом случае длина каждой ступеньки составляет Х/4). Образо-

237

ванная в результате резкого расширения внешнего проводника / 2 краевая емкость Сх трансформируется в плоскости А — А через отре­ зок 1г, образуя совместно с диодом холостой контур. Трехступенчатый участок структуры (/3) обеспечивает нужную для получения необходи­ мого усиления трансформацию импеданса, в результате которой в пло­ скости D—D сигнальная цепь адекватна параллельному контуру.

Расширение полосы усиления достигается за счет корректирующих свойств циркулятора, выполненного в виде трех каскадно включенных ферритовых дисков, размеры которых выбраны из условия обеспечения заранее заданной полосы пропускания. Для получения к. с. в . < 1,1 в нагруженных плечах циркулятора установлены дополнительные кор­ ректирующие контуры. Место включения циркулятора выбирается таким образом, чтобы в плоскости D — D он представлял собой по-

238

1.2.МОДУЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ШИРОКОПОЛОСНОГО

ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО УСИЛИТЕЛЯ

Сопряжение основной колебательной системы на реактивных па­ раметрах диода с многофункциональным согласующим четырехпо­ люсником в сигнальной цепи, выполненным в видетрехзвенной ступен­ чатой структуры, позволяет реализовать конструкцию параметриче-

Рис. 1.7. Эквивалентная схема основной колебательной системы параметриче­ ского модуля:

а) сигнальный контур; б) контур холостой частоты.

ского усилителя в виде миниатюрного сменного модуля с полосой про­ пускания, близкой к предельной для применяемого в ней диода 16,7].

Основная колебательная система усилителя состоит из диода и до­ полнительной сосредоточенной индуктивности (рис. 1.7). Холостая частота выбирается равной резонансной частоте контура с диодом, которая вследствие большого сопротивления сосредоточенной индук­ тивности лишь незначительно превышает частоту собственного резо­ нанса диода с учетом емкости патрона. Вся основная колебательная система с диодом размещена в круглом предельном волноводе, подав­ ляющем распространение энергии с частотой ниже 35 Ггц. Такое по­ строение позволяет рассматривать оба контура с диодом как сосредо­ точенные. При этом может быть реализована максимальная полоса уси­ ления. Если необходимо получить резонанс холостого контура на за­ данной частоте, отличной от частоты параллельного резонанса, коле­ бательную систему с диодом следует дополнить емкостью Сп , величина которой находится из условия обеспечения максимальной полосы уси­ ления 18] и которая выполнена в виде короткого отрезка разомкнутой низкоомной линии (рис. 1.8).

Эквивалентные схемы модуля и его идеализированной модели приведены на рис. 1.9, а его конструкция — на рис. 1.10. Диод впаян

240