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

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ РЕЗОНАНСНЫЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

На основе приведенной упрощенной теории параметрических систем рассмотрим основные свойства параметрических резонансных преобразователей в случае малых сигналов, причем из рассмотрения исключим полосы пропускания анализируемых схем. Это связано с тем, что в диапазоне СВЧ, в котором, в основном, и применяются та­ кие преобразователи из-за их малых шумов, как корпус варакторного диода, так и взаимодействующие с ним СВЧ цепи не удается в широком диапазоне частот заменить простыми резонансными контурами, так как они представляют собой сложные структуры с распределенными постоянными1 '. Исключение полосы пропускания из настоящего об­ суждения дает возможность пренебречь паразитными параметрами кор­ пуса диода при выводе зависимостей, определяющих основные харак­ теристики параметрических устройств: усиление преобразования, температуру шума, входной и выходной импедансы.

Из приведенного ранее анализа схем, содержащих нелинейные емкостные диоды, следует, что в них возникают токи и напряжения с частотами

где со0 — частота приложенного сигнала, п — целое число, а сон — частота генератора, управляющего варакторным р-п переходом таким образом, что его дифференциальный эластанс становится периоди­ ческой функцией времени и может быть представлен с помощью ряда

П = — с о

Генератор накачки, влияя на изменение величины эластанса р-п перехода, на котором помимо напряжения накачки действует также напряжение сигнала, подводит мощность, которая может быть ис­ пользована2 ' для усиления мощности сигнала с частотой ш0 либо с час­ тотами ю„ [23, 24, 31, 33, 35, 37], определяемыми формулой (3.1) и по­ являющимися в результате преобразования частоты.

1 1 Эквивалентная схема присоединенных к диоду С В Ч цепей сильно зависит от конструкции. Наибольшая трудность при создании широкополосных конст­ рукций состоит в реализации присоединенных к диоду С В Ч элементов, имеющих

2 ) Это вытекает из соотношений Мэнли и Роу, рассмотренных в § 2.3.

61

Различные виды параметрических схем условились классифици» ровать в зависимости от того, как соотносятся входная и выходная частоты накачки и на скольких и на каких среди теоретически бес­ конечного числа частот соп (3.1) можно выделить мощность с помощью соответствующей конструкции линейной цепи Z (со) (рис. 2.4).

в) • г)

х) % . л)

U s - W u

о)

«и

«и

Рис. 3.1. Типичные «частотные» схемы параметрических преобразователей:

62

Если частота в нагрузке совпадает с частотой генератора сигна­ лов, то рассматриваемое устройство является усилителем. Если же входная частота отлична от частоты на выходе параметрической схемы, то будем иметь дело с преобразователем.

Используя предложенный Пенфилдом и Рэфьюзом [35J способ обозначения отдельных частот, участвующих в процессе преобразо­ вания, можно символически изобразить различные типы преобразова­ телей. На рис. 3.1 стрелками обозначены выход и вход. Индекс s от­ носится к частоте сигнала, индекс н — к частоте накачки, а индекс i

4ый -и3 со;

2uH~us

и,-

Рис. 3.2. Нетипичные «частотные» схемы параметрических преобразователей.

и треугольник, имитирующий нагрузку, — к так называемым холос­ тым частотам дополнительных (холостых) контуров, в которых также допускается выделение мощности. В соответствии с [4] будем называть:

—преобразователем типа модулятора —• устройство, выходная частота которого больше частоты входного сигнала;

—преобразователем типа демодулятора — устройство, выходная частота которого меньше частоты входного сигнала;

—преобразователем с верхней боковой — устройство, в котором модуляционный спектр сигнала не подвергается инверсии на оси час­ тот, а лишь смещается (сдвигается);

—преобразователем с нижней боковой — устройство, в котором

модуляционный спектр сигнала подвергается не только сдвигу, но

иинверсии на оси частот;

—^-частотным преобразователем-— устройство, в котором общее число частот в процессе преобразования составляет k, включая час­ тоты сигнала, выходную, а также холостые частоты.

На рис. 3.2 показано несколько нетипичных примеров, не исполь­ зуемых на практике, идея которых достаточно ясна из «частотной» схемы.

Подобное графическое представление возможно и для усилителей, с той, однако, разницей, что сигнальная частота будет одинаковой на

63

входе и выходе, а все прочие частоты будут холостыми. На практике1 ', однако, чаще всего применяют устройства (рис 3.3) с одним холостым контуром, настроенным на частоты со£ = сок — cos, либо сог = 2со„ —

— o v

Рис. 3.3 Типичные «частотные» схе­ мы параметрических усилителей.

Далее детальный анализ параметрических усилителей и преобра­ зователей будет опираться на приведенный ранее метод «усеченных» матриц проводимости, который используется при условии обеспече­ ния конструктором соответствующей селективности контуров пара­ метрического преобразователя или умножителя.

3.1. ОБЩИЕ АНАЛИТИЧЕСКИЕ ВЫРАЖЕНИЯ, ОПИСЫВАЮЩИЕ СВОЙСТВА МНОГОЧАСТОТНЫХ РЕЗОНАНСНЫХ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ [16, 18]

Рассмотрим наиболее общий случай так называемого многочастот­ ного параметрического преобразователя, который характеризуется произвольным (конечным) числом резонансных контуров [7, 38, 40],

Х ) То обстоятельство, что используются только двухчастотные схемы, свя­ зано как с простотой реализации, так и с тем, что целый ряд многочастотных схем не имеет каких-либо принципиальных преимуществ. Техническое значение на сегодня имеют только 3 многочастотные схемы:

— преобразователь с верхней и нижней боковой, используемый как уси­

идвухчастотная, но при меньшей частоте накачки [42];

—трехчастотная схема, в которой регенерация идет на двух частотах, ле­ жащих ниже частоты сигнала. На этих частотах потери в диоде меньше, и поэтому требования к нему слабее. Эта схема представляет интерес для миллиметрового диапазона [42] .

Так как качество диодов улучшается и появляется возможность создать

64

Входной импеданс преобразователя определим как

Обменное усиление преобразования вычисляется как отношение обменной мощности сигнала на выходе [20, 22] к обменной мощности генератора сигнала Рег:

где ЕЛ10 — напряжение холостого хода (1м = 0) в выходном контуре преобразователя, U0 — э. д. с. генератора сигналов.

Используя (2 . 39), получаем

Эффективной входной температурой шума преобразователя будем называть [21] температуру шумов на всех частотах спектра выходной мощности, выраженную в градусах Кельвина, приписываемую одно-

66

вателя будут использованы для изучения основных свойств некоторых разновидностей параметрических преобразователей, упомянутых в на­ чале этого параграфа.

3.2. ДВУХЧАСТОТНЫИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ВЕРХНЕЙ БОКОВОЙ ТИПА МОДУЛЯТОРА (НЕРЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ)

В соответствии с рис. 3.5 такой преобразователь [39] характери­ зуется тем, что на варактор подается накачка с частотой <оп, а внешняя по отношению к р-п переходу с накачкой цепь спроектирована таким образом, что через переход из всех токов с частотами соп (3.1) могут про-

OJS+ZCJH

рис. 3.6 указано дважды: один раз в цепи сигнала, в которой благодаря фильтрующему действию реактанса X (со0) может протекать только ток с частотой со0> а второй раз — в выходной цепи, в которой фильтрую­ щее действие реактивности X (coj) допускает протекание тока только

68

с частотой ©!• Читатель легко убедится, что благодаря этим допуще­ ниям схема рис. 3.6 эквивалентна аналогичной схеме, где сопротивле­ ние потерь Rs появляется только один раз в ветви, в которой имеется переменный эластанс s (t), соединенный последовательно с Rs.

Рис. 3.6. Эквивалентная схема трехчастотного преобра­ зователя с верхней боковой типа модулятора.

3.2.1.ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ П А Р А М Е Т Р Ы

Используя зависимость (2.30), а также обозначения рис. 3.6, по­ лучим основную систему уравнений, описывающих свойства преобра­ зователя в случае малых сигналов:

Для упрощения записи введем понятие так называемых динами­ ческих добротностей qm>n варакторного диода при воздействии накач­ ки, связанных с амплитудами конкретных гармоник переменного эластанса (2.33) на конкретных частотах:

69

В соответствии с (3.5) входной импеданс преобразователя выра­ жается тогда формулой

как последний член правой части каждого' из них указывает на пара­ метрическую связь контура, настроенного на одну частоту (входную либо выходную), с контуром на другой резонансной частоте. Из них

70