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

в трехзвенную ступенчатую структуру коаксиального типа, одновре­ менно выполняющую функции диододержателя, параллельного коррек­ тирующего контура с заданной добротностью (§ П.З), трансформатора с заданным коэффициентом трансформации и режектора холостой ча­ стоты, накачки и верхней холостой частоты с подавлением свыше 35 дб. Длина каждого звена ступенчатой структуры составляет четверть длины волны на холостой частоте. Поперечные размеры определяются в результате синтеза, который производится с помощью ЭВМ.

Рис. 1.9. Эквивалентные схемы модуля (а) и его идеализированной модели ( б ) .

Ступенчатая структура вместе с впаянным в нее диодом и допол­ нительной емкостью Сп (рис. 1.11) крепится в корпусе модуля при по­ мощи восьми сапфировых стержней, которые удерживают ее от про­ дольных и поперечных перемещений даже при охлаждении до криоген­ ных температур. При таком креплении отсутствуют паразитные отра­ жения, свойственные опорам шайбового типа. Сборка производится при помощи двух стальных оправок, фиксирующих положение ступен­ чатой структуры с диодом.

Внешний диаметр коаксиальной линии выбирается из условий отсутствия паразитных типов волн на всех частотах, вплоть до верх­ ней холостой (наиболее опасными с этой точки зрения являются низкоомные участки ступенчатой структуры).

Для лучшего согласования с генератором накачки и устранения паразитных резонансов в области верхней холостой частоты в цепь накачки введен полосовой фильтр, выполненный в виде винта длиной около ^ н а к / 4 , размещенного в круглой диафрагме, диаметр которой яв­ ляется предельным для частот вплоть до 40 Ггц. Толщина диафрагмы, а также диаметры отверстия и винта определяют добротность контура накачки. Связь цепи накачки с генератором может выбираться предва-

241

рительным смещением винта относительно оси симметрии диафрагмы. Такой фильтр обладает жесткой конструкцией и большим диапазоном перестройки. Применение его вместе с коаксиальной ступенчатой структурой позволило полностью исключить процесс пайки при изго­ товлении модуля и резко уменьшить его размеры.

Для настройки параметрического модуля необходимо произвести холодные измерения в сигнальной цепи, в процессе которых при помощи подстроечной индуктивности формируется симметричная двугорбая характеристика и определяется ее соответствие результатам расчета на ЭВМ. Настроенный таким образом усилитель при включении генера­ тора накачки не требует дополнительной регулировки, обеспечивая при этом достаточно хорошее совпадение с ожидаемыми характеристи­ ками. Полоса пропускания усилителя фактически определяется по­ стоянной времени применяемого диода и составляет 8—9% от рабочей частоты по уровню 1 дб при усилении 10—12 дб. Ее можно увеличить до 11 — 1 2 % , применяя пятиступенчатую структуру в сигнальной цепи. Такой модуль (рис. 1.12) рассчитан на непосредственное подключение к 50-омной коаксиальной линии со стандартным сечением 10 X 4,34 мм. Описанная конструкция особенно перспективна при создании много­ каскадных параметрических систем, охлаждаемых в вакууме при по­ мощи криогенных машин замкнутого цикла.

1.3.ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ КОРОТКОВОЛНОВОЙ ЧАСТИ

САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ВОЛН

Параметрические усилители остаются наиболее перспективным классом малошумящих устройств и в коротковолновой части санти­ метрового диапазона волн [9,10J. Использование параметрических уси­ лителей в этой области частот становится возможным в связи с совер­ шенствованием колебательных систем и улучшением параметров полу­ проводниковых диодов.

243

0,2 пф, частота последовательного резонанса 22 Ггц, частота параллель­ ного резонанса свыше 36 Ггц. Колебательная система усилителя (рис. 1.13, а) очень проста. Резонанс на сигнальной частоте осуществ­ ляется за счет специальной низкоомной ступеньки в коаксиальной линии. Волновод накачки пределен для сигнальной и холостой частот. С одной стороны в него подается мощность накачки, с другой стороны осуществляется ее регулировка. Проникновение этой мощности в цепь сигнала устраняется с помощью радиального фильтра (рис. 1.14). Холостая частота выбирается между частотами последовательного и параллельного резонансов диода и составляет 35 Ггц. При этом им­ педанс диода на внешней поверхности патрона имеет индуктивный

244

характер. Для обеспечения резонанса на холостой частоте использует­ ся радиальная линия. Из распределения токов в холостом контуре (рис. 1.13, б) видно, что минимум тока приходится на зазор между внут­ ренним и внешним проводниками коаксиальной линии и таким образом энергия холостой частоты не попадает в сигнальную цепь. Влияние щели незначительно понижает добротность холостого контура и может быть учтено в соответствии с ИЗ].

Без дополнительного корректирующего контура усилитель обес­ печивает полосу усиления 145 Мгц при усилении 20 дб. Температура шума составляет 245° К при потерях циркулятора 0,3 дб.

Настройка корректирующего контура (рис. 1.15) осуществляется передвижением поршня, а диаметр утолщения среднего проводника определяет добротность (коаксиальио-волноводный переход испол­ няет функции корректирующего контура). Характеристики парамет­ рического усилителя с коррекцией в сигнальной цепи приведены в табл. 1.2.

Каскадное включение 2—3 усилителей такого типа может обеспе­ чить усиление 30—40 дб при полосе 500—1000 Мгц. При охлаждении

до температуры жидкого азота можно получить температуру шума ниже 100° К.

К циркулятору

245

Конструкция параметрического усилителя на частоту 18,7 Ггц описана в [14]. Усилитель состоит из двух каскадов, охлаждаемых ма­ шиной замкнутого цикла до температуры 77° К, н имеет следующие ха­ рактеристики:

Колебательная система усилителя (рис. 1.16) подключается без разъема к четырехплечему циркулятору полоскового типа с потерями 0,3 дб и к. с. в. порядка 1,2. Внутренний проводник крепится с помо­ щью неднэлектрических опор, поскольку разъемы и диэлектрические материалы часто становятся причиной изменения параметров при ох­ лаждении системы до криогенных температур. Внутренний диаметр внешнего проводника составляет всего 2 дин, и поэтому частота среза для первого высшего типа волны лежит около 75 Ггц. Коррекция ам­

плитудно-частотной характеристики осу­ ществляется с помощью разомкнутого полуволнового резонатора.

пературой шума 1300° К- Охлаждение колебательной системы с дио­ дом до 20° К позволило снизить температуру шума до 150° К [18].

Вырожденный параметрический усилитель на частоту 46 Ггц, предназначенный для применения в радиоастрономическом приемнике, описан в [19]. Его конструкция выполнена без настроечных винтов, что обеспечило малый уровень потерь и хорошую воспроизводимость. В усилителе применен GaAs варактор с барьером Шоттки, смон­ тированный в модифицированном таблеточном корпусе. Частота среза варактора составляла / с = 600 Ггц.

246

R и L на зажимах А — А' и В — В'. Шунтирующая цепь, через кото­ рую подается напряжение смещения, выполнена в виде трех секций (Zi, Z 2 и Zx). Генератор накачки подключен к диоду через узкий вол­

Следует отметить хорошее совпадение измеренной и расчетной мощности накачки. Сравнительно узкая полоса является следствием большого количества паразитных элементов, шунтирующих диод.

В' С'

Диодная таблетка

Рис. 1.18. Упрощенная эквивалентная схема параметрического усилителя на ча­ стоту 46 Ггц

В работе [20] приведены конструкция (рис. 1.19) и параметры дио­ дов, разработанных специально для балансных параметрических уси-

247

лителей миллиметрового диапазона волн и обладающих минимальными паразитными параметрами. Пластина из арсенида галлия размером 0,18 X 0,18 мм расположена по середине зазора кварцевой пластины подковообразной формы и смонтирована вместе с ней на держателе из медного стержня, к которому крепится индиевая сфера. К металлизи­ рованным участкам кварцевой пластины присоединяется золотая лен­ та, после чего вся структура нагревается так, чтобы индий на золотой ленте оплавился. Затем прибор подвергается травлению до получения емкости перехода 0,1—0,2 пф при нулевом смещении. Паразитная ем­ кость, образованная золотой лентой, кварцевой пластиной и держа­

Эти диоды вставляются в волновод (рис. 1.20) с поперечными раз­ мерами 0,254 X 3,099 мм через отверстия в его широких стенках и прижимаются к золотой ленте сечением 0,013 X 0,1 дм, которая яв­ ляется началом сигнальной линии и одновременно служит для подачи напряжения смещения. Эта лента выходит наружу через отверстие с размерами 0,76X0,254 мм в боковой стенке волновода. Медные стерж­ ни не выступают внутрь волновода и не вносят паразитных параметров

в схему. Такая конструкция при идентичных диодах обеспечивает пол­ ную симметрию балансной схемы, что исключает необходимость при­ менения фильтров в сигнальной цепи. Предполагается, что такие дио­ ды окажутся перспективными для создания невырожденных парамет­ рических усилителей миллиметрового диапазона волн.

1.4.ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ

ВИНТЕГРАЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ

Несмотря на трудности проектирования и сложность технологи­ ческого процесса, в создании параметрических усилителей в интеграль­ ном исполнении достигнуты заметные успехи. Малые габариты и вес,

248

высокие электрические параметры и надежность определяют несом­ ненную перспективность такого типа усилителей для бортовых радио­ приемных систем, необслуживаемых линий связи, многоканальных релейных линий и т. п.

Наибольшее распространение получили гибридно-интегральные конструкции, в которых объемные полупроводниковые и ферритовые элементы сопряжены с монолитно-интегральной колебательной систе­ мой на микрополосковой линии. В таких схемах возможен оптималь­ ный подбор характеристик каждого узла без нарушения свойств других элементов схемы, при этом активные элементы монтируются с помощью беспроволочных контактов, или балочных выводов, что позволяет сни­ зить паразитные параметры. Такие конструкции при крупносерийном производстве обладают достаточным процентом выхода и оказываются экономически выгодными.

Типичный пример схемы параметрического усилителя в интег­ ральном исполнении приведен на рис. 1.21 [21]. Усилитель содержит

Накачка

Холостой контурумножителя

Рис. [.21. Интегральная колебательная система параметрического усилителя на частоту 1,8 Ггц.

два варактора, один из которых усиливает входной сигнал, а другой осуществляет умножение частоты накачки с 2,125 Ггц до 8,5 Ггц при мощности на выходе 10 мет. Оба варактора связаны между собой с по­ мощью полосового фильтра. Усилитель имеет следующие параметры:

Гибридно-интегральная конструкция параметрического усилите­ ля на частоту 2,25 Ггц описана в [22]. Параметрический усилитель (рис. 1.22) выполнен в виде модуля, состоящего из микрополосковой платы с колебательной системой и генератора накачки. Его колеба­ тельная система вместе с циркулятором расположена на подложке площадью порядка 6 см2, на которую с обеих сторон с помощью осаж-

249

дения в вакууме нанесено покрытие из слоя меди и подслоя хрома, обеспечивающего адгезию. Фототравлением на подложке выполнены проводники колебательной системы, к которым с помощью ленточных отводов присоединены дискретные элементы.

Микрополосковая часть усилителя состоит из трехплечего циркулятора, варактора, сигнальной и холостой колебательных цепей, режекторного фильтра накачки в цепи сигнала и системы согласова- , ния с источником накачки. Металлизированный ферритовый диск

Рис. 1.22. Структурная схема гибридно-ин­ тегрального парметрического усилителя на

частоту 2,25 Ггц: .

I — корректирующий контур а сигнальной цепи; 2—сигнальная н холостая колебательные цепи с диодом; 3 — цепи согласования с генератором накачки; 4 — переход волновод — микрополоско­ вая линия; 5 —вентиль; 5 —генератор накачки на диоде Ганна; 7 —цепь распределения питающего

напряжения; 8— цепь напряжения смещения диода.

циркулятора размещен в отверстии подложки. Четвертьволновые трансформаторы с блокировочными конденсаторами согласовывают диск с 50-омными входными и выходными разъемами. Выход цир­ кулятора присоединен непосредственно к корректирующему контуру в сигнальной цепи усилителя. Магнитная система укреплена в кор­ пусе модуля. Цнркулятор имеет следующие параметры:

в линию и установленный между проводником и пластиной заземления через отверстие в подложке. Варактор имеет емкость перехода 0,6 пф при нулевом смещении, частоту резонанса 11,75 Ггц и частоту среза 180 Ггц. Емкость корпуса составляет 0,2 пф.

Источник накачки состоит из колебательной системы с диодом Ганна, миниатюрного волноводного вентиля и перехода с волновода на микрополосковую линию. Генератор имеет мощность 50—100 мет в диапазоне 13,8—14,2 Ггц и питается от внешнего источника с напря­ жением 8в и током 0,5 а. Вентиль со встроенным в него магнитом обес­ печивает развязку не менее 25 дб и потери не более 0,3 дб. В переходе волновод—микрополосковая линия используется короткий отрезок

850