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

При выполнении условия собственного резонанса (3.20) в конту­ рах последнее выражение упрощается:

откуда видно, что температура шума преобразователя в случае диода без потерь (Rs = 0) достигает нулевого значения. К этой же величине стремится Те при охлаждении диода с потерями до температуры аб­ солютного нуля (Те = 0).

3.2.2.О П Т И М И З А Ц И Я ПАРАМЕТРОВ П Р Е О Б Р А З О В А Т Е Л Я

Из аналитических зависимостей § 3.2.1 вытекает, что выполнение условий резонанса (3.20) во входной и выходной цепях приводит к уве­ личению Ge, а также к уменьшению Те. Кроме того, входной и выход­ ной импедансы имеют положительную действительную часть, что на­ талкивает на мысль о возможности отыскания условий, при которых происходит согласование импедансов на входе и выходе преобразова­ теля. Эти соображения приводят к выводу о целесообразности рас­ смотрения условий оптимальной работы устройства, заключающейся в получении максимального усиления преобразования и минимальной температуры шумов при одновременном обеспечении условий согласо­ вания на его входе и выходе.

Как уже упоминалось, выполнение условий резонанса в контурах смесителя приводит к увеличению усиления. Для дальнейшего улуч­ шения Ge отыщем экстремум выражения (3.24) относительно величины внутреннего сопротивления генератора Rr. Максимум усиления имеет место, когда

где верхний индекс G означает, что соответствующие величины отно­ сятся к случаю оптимизации усиления преобразования Ge.

Основываясь на (3.20), (3.22) и (3.28), легко убедиться, что на вы­ ходе преобразователя имеет место согласование тогда, когда

а также

r°ux=r?sarp=VT+qJ. (3.31)

Аналогично, согласование имеет место также на входе преобразо­ вателя, если в соответствии с (3.20), (3.21) и (3.28)

71

Из сравнения (3.31) и (3.33) видно, что действительные части вход­ ного и выходного импедапсов преобразователя одинаковы.

Представляет интерес условие, при котором усиление преобразо­ вания больше единицы:

На рис. 3.7 зависимость (3.29) представлена как функция дина­ мических добротностей варакторного диода qli0 (параметр) и q0ti (ось абсцисс). Как видно из этого рисунка, уменьшению qi0i на частоте % , т. е. увеличению этой частоты при постоянных параметрах диода, соответствует рост усиления преобразования. Однако при постоянной входной частоте (qlj0 = const) наблюдается (3.29) верхний предел уси­ ления преобразования Ge, равный (1/4) |<7i,o|2i который нельзя прев­ зойти независимо от любой произвольно большой выходной частоты (?o,i~*"0)- На рис. 3.7 пунктирная прямая 7i,o<7o,i & 2,34 связывает точки кривых, в которых усиление преобразования в 2 раза меньше граничного значения.

На рис. 3.8 построен график зависимости (3.28) в функции тех же параметров, что и раньше, для случая согласованных сопротивлений

72

генератора (3.31) и нагрузки (3.33). Как видно из него, в соответствии

достигается при достаточно больших входных частотах, т. е. при <7i,o<7o,i < 1.

В соответствии с (3.27) и (3.28) температура шумов смесителя при

График этой зависимости в функции динамических добротностей

ратуры шума от выходной частоты со^ асимптотически стремятся к ве­ личине TR[l - f (4/|<7li012)]. Однако в любом случае чем меньше частота сигнала со0, тем меньше температура шума преобразователя, .оптими­ зированного по усилению преобразования.

Значения температуры шумов и усиления преобразования, опи­ сываемые зависимостями (3.40) и (3.41), имеют место тогда, когда дей­ ствительная составляющая импеданса нагрузки в соответствии с (2.39)

73

В этом случае на входе преобразователя будет иметь место рассо­ гласование, так как в соответствии с (3.39) и (3.21)

В последних формулах верхний индекс Г означает, что рассмат­ риваемые величины относятся к случаю оптимизации (минимизации)

температуры шума преобразователя. Из этих зависимостей вытекают следующие практические выводы:

1. Минимальная температура шумов преобразователя не зависит от выходной частоты, а следовательно, не зависит от частоты накачки1 ).. Она тем меньше, чем больше динамическая добротность диода qli0, и напротив, увеличивается при росте частоты сигнала. В случае, когда

2. Сопротивление генератора сигнала Rl, необходимое для мини­ мизации температуры шума преобразователя, также не зависит от выходной частоты, а определяется исключительно динамической доб­ ротностью диода на частоте входного сигнала Ift . ol - При выполнении условия (3.44) выражение (3.29) для этого сопротивления упрощается:

74

дается минимум температуры шума преобразователя, от динамической доброт­ ности варакторного диода на сигнальной частоте.

Us

Рис. 3.12. Зависимость обменного усиления преобразования трехчастотного преоб­ разователя с верхней боковой типа модулятора либо демодулятора от динамиче­ ской добротности варакторного диода иа выходной частоте (ось абсцисс) и на сигнальной частоте (параметр), когда температура шума достигает минимума.

•Пунктирная линия отделяет области работы модулятора и демодулятора. Штриховая линия указывает величины динамической добротности диода, при которых усиление преобразова­ ния на 3 56 меньше максимального усиления, достигаемого устройством при добротности, равной нулю (Ш|->-«>).

ности варакторного диода на выходной частоте (ось абсцисс) и на сигнальной частоте (параметр) в случае минимальной температуры шумов преобразователя.

75

3. Усиление преобразования является функцией динамических добротностей диода на обеих частотах и при постоянной частоте вход­ ного сигнала (^1 0 = const) растет с увеличением выходной частоты, стремясь к асимптотической величине

Для определения скорости такого стремления следует найти гра­ ничное значение выходной частоты, сверх которого усиление будет не более чем в 2 раза (3 56) отличаться от асимптотического значения. Из

мого для минимизации температуры шумов, также зависит от динами­ ческой добротности варакторного диода на обеих частотах и в пределе,

и Тте отличаются друг от друга. На практике при проектировании пре­ образователя с определенным коэффициентом усиления решающей является та из оптимизаций, которая имеет большее значение для дан­

Необходимо оценить свойства преобразователя, полученные путем оптимизации двух его различных параметров. Для упрощения оценки целесообразно использовать определенный вид оптимизацции. На рис. 3.14 представлена зависимость отношения оптимального усиле­ ния преобразования Gf к усилению преобразователя G T e , полученного при минимальной температуре шума, от добротности qQiX. Соответст­ вующая аналитическая зависимость, на основе которой построен гра­ фик, в соответствии с (3.29) и (3.41) имеет вид

76

Аналогично на рис. 3.15 показана зависимость отношения мини­ мальной температуры шума Тте преобразователя к температуре шума Т°е (3.38), получаемой при оптимизации преобразователя на макси­ мум усиления, от q01. Соответствующая зависимость имеет вид

Рис. 3.14 Рис. 3.15

Рис. 3.14. Зависимость относительного оптимального обменного усиления преоб­ разования, полученного при минимальной температуре шума, от динамической добротности варакторного диода на выходной частоте (ось абсцисс) и на частоте сигнала (параметр) для трехчастотиого преобразователя с верхней боковой типа модулятора или демодулятора.

Рис. 3.15. Зависимость отношения минимальной температуры шума к обменной температуре шума, которая наблюдается в преобразователе при оптимизации усиления преобразования, от динамической добротности варакторного диода на выходной частоте (ось абсцисс) и на частоте сигнала (параметр) для трехчастот­ иого преобразователя с верхней боковой типа модулятора либо демодулятора.

Основываясь на этих зависимостях и графиках, можно оценить целесообразность и эффективность определенного вида оптимизации в соответствующих условиях работы преобразователя с варакторным диодом с конкретными параметрами перехода.

3.2.4.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, И С П О Л Ь З У Ю Щ И Й В Ы С Ш У Ю Г А Р М О Н И К У

ЭЛАСТАНСА П Е Р Е Х О Д А

Иногда соображения практического порядка не позволяют при­ менять в преобразователе генератор с высокой частотой ю н . Тогда используют генератор (рис. 3.5), частота которого является k-н суб­ гармоникой (k > 1) требуемой частоты накачки, учитывая, что в раз­ ложении переменного эластанса в ряд Фурье присутствует k-я гармо-

77

ника частоты накачки, обеспечивающая изменение эластанса с требуе­ мой частотой.

В этом случае справедливы все приведенные ранее выводы и фор­ мулы, относящиеся к рассмотренному преобразователю, с той лишь разницей, что вместо динамических добротностей qiQ и q0A, относя­ щихся к первой гармонике эластанса, в соответствующие формулы сле­ дует подставлять динамические добротности диода для /г-й гармоники эластанса, т. е. <7fti0 и q0th. Определение этих величии [формула (3.15)] остается и далее справедливым, а выходная частота составляет теперь <й0 + kwa, где wB — используемая частота накачки. Подобное исполь­ зование высших гармоник эластанса перехода возможно также и в дру­ гих, рассматриваемых далее, разновидностях параметрических пре­ образователей.

3.2.5.ПРИМЕНЕНИЕ ТРЕХЧАСТОТНЫХ П Р Е О Б Р А З О В А Т Е Л Е Й

СВ Е Р Х Н Е Й Б О К О В О Й ТИПА М О Д У Л Я Т О Р А

Этот тип преобразователя выгоднее использовать в нижней части диапазона L (390—1550. Мгц), так как применение легко доступных ге­ нераторов накачки диапазона X (6,2—10,9 Ггц) означает, что при соот­ ветствующих варакторах полученных усилений будет достаточно для уменьшения влияния потерь и шумов последующего каскада обычного смесителя, понижающего частоту. Другие типы усилителей требуют циркуляторов, которые на низких частотах имеют большие потери1 ).

На рис. 3.16 показана примерная структурная схема приемного ус­ тройства на частоту 400 Мгц, использующего генератор накачки диа­ пазона X. После трехчастотного параметрического преобразователя с верхней боковой типа модулятора следует обычный смеситель, пони­ жающий частоту до частоты выходного сигнала либо до промежуточной частоты приемника. Отдельные элементы схемы имеют следующие па­ раметры:

— трехчастотный параметрический преобразователь с верхней бо­

х ) Применение нерегенеративного преобразователя ограничено диапазоном низких частот. Благодаря отсутствию циркулятора или вентиля, имеющих в этом диапазоне сравнительно большие потери, удается получить очень низкие шумы без применения криогенной техники. Основное преимущество нерегенеративной схемы перед регенеративной — возможность согласования. Однако для этого нужна очень точная настройка. При настройке схемы по максимуму усиления или по минимуму шумов приемного устройства в целом легко возникает пара­ зитная регенерация, не замечаемая оператором, теряется согласование, которое поэтому должно проверяться. Однако экспериментальных данных о согласовании в литературе очень мало. {Прим. ред.)

78

ров, представленные на рис. 3.7—3.15. Следует лишь подчеркнуть тот факт, что в этом типе преобразователей невозможно получить усиление преобразования больше единицы, так как даже предельная величина его, характеризующая переход без потерь, составляет всего COQ/COJ, Ч Т О меньше единицы в соответствии с определением преобразователя этого типа. Тем не менее при заданных входной и выходной частотах и задан­ ных потерях р-п перехода следует стараться получить минимальные потери преобразования путем выбора оптимальной действительной час­ ти импеданса генератора (3.28), используя максимальное «усиление» (3.29) и соответствующую ему температуру шума (3.38), а также дей­ ствительную составляющую выходного импеданса (3.31), которая дол­ жна быть равна действительной части импеданса нагрузки. При этом в контурах преобразователя следует обеспечить условие резонанса (3.20).

Если критерием оптимизации параметров преобразователя явля­ ется минимизация не его потерь преобразования, а температуры шума, то следует пользоваться формулами (3.39)—(3.42) и соответствующими им графиками. Очевидно, и в этом случае коэффициент усиления не может превышать единицы.

Интересно сравнить оптимальные характеристики этих двух разно­ видностей преобразователей, выполненных на одном и том же переходе (диоде) и имеющих одинаковые сигнальные частоты; это сравнение уда­ ется очень просто осуществить, так как характеристики обоих преобра­ зователей описываются одними и теми же уравнениями:

а) максимальное усиление преобразования в двухчастотном пре­ образователе с верхней боковой типа демодулятора никогда не может превышать предела сй0 /ю 1, меньшего единицы, и чем меньше оно будет, тем больше отношение входной частоты к выходной. Иначе обстоит дело с трехчастотным регенеративным преобразователем с верхней боковой типа модулятора, в котором можно получить усиление пре­ образования больше единицы и тем большее, чем больше выходная частота относительно входной;

б) минимальная температура шума обоих преобразователей зави­ сит только от параметров диода на входной частоте. Поэтому двухчастотный преобразователь с верхней боковой типа демодулятора бу-

80