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

дет иметь худшие шумовые параметры, чем соответствующий ему пре­ образователь типа модулятора;

в) оба преобразователя характеризуются тем, что у них поло­ жительны действительные части входного и выходного импедансов, величины которых существенно влияют на параметры преобразователя и, в частности, оптимизируют усиление преобразования, что имеет место при выполнении (наряду с другими) условия согласования на вхо­ де и выходе.

Из сравнения а) и б) следует объяснение того, почему на практике не применяются двухчастотные преобразователи с верхней боковой типа демодулятора. Большие потери преобразования и значительные температуры шума приводят к тому, что исчезают преимущества, кото­ рые бы могло дать их применение в приемных системах для радиосвя­ зи. Иначе обстоит дело с двухчастотными преобразователями с верхней боковой типа модулятора.

3.4. ДВУХЧАСТОТНЫИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С НИЖНЕЙ БОКОВОЙ ТИПА МОДУЛЯТОРА (РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ)

В соответствии с рис. 3.1 такое устройство характеризуется тем, что варактор накачивается на частоте со„, а внешняя по отношению к р-п переходу с накачкой цепь спроектирована таким образом, что из всех токов с частотами соп (§ 3.1) через нее могут протекать токи

Рис. 3.19. Эквивалентная схема трехчастотного преобразователя с нижней боковой типа модулятора

3.4.1.ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Используя зависимость (2.39), а также обозначения на рис. 3.19, получим основную систему уравнений, описывающих свойства пре­ образователя при малых сигналах:

81

в каждом из этих контуров как внесение отрицательного сопротивления 15, 6,11, 12, 35], обратно пропорционального собственному сопротивле­ нию второго контура. Коэффициент пропорциональности положителен, вещественен и равен q£0.

Тогда усиление преобразования1 ' согласно (ЗЛО)

82

В данном случае входное и выходное сопротивления преобразова­ теля могут иметь любой знак, а усиление преобразования может стать бесконечно большим, что может привести к нестабильности схемы и ге­

Это одновременно является условием того, что регенерация каж­ дого из контуров преобразователя (из-за параметрической связи кон­ туров) будет достаточно большой для компенсацции имеющихся в нем потерь. Например, легко убедиться, что при выполнении условия (3.66) имеют место соотношения

Предполагая, как и раньше, что единственными шумами в преоб­ разователе являются тепловые шумы сопротивления диода при темпе­ ратуре Тя, получим

частотного преобразователя с верхней боковой. Это очевидно, так как величина Те, определяемая (3.26), не зависит от выходной частоты, а также потому, что уравнения, описывающие рассматриваемый пре­ образователь, отличаются от уравнений преобразователя с верхней бо­

3.4.2.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

В.§ 3.4.1 выведены соотношения для входного и выходного импедансов, усиления преобразования и температуры шума преобразова­ теля, из которых следует, что настройка контуров в резонанс полезно влияет на последние два из указанных параметров. Поэтому, приступая

83

к оптимизации [27, 30, 35] параметров преобразователя, примем, как мы это сделали в § 3.2.2, что выполняется условие резонанса (3.60).

Из выражения (3.66) следует, что усиление преобразования может достигнуть бесконечно большого значения, если

Рис. 3.20. Зависимость сопротивлений генератора и нагрузки в трехчастотном преобразователе с нижней боковой типа модулятора либо демодулятора от ди­ намической добротности варакторного диода на сигнальной частоте (ось абсцисс) и выходной частоте (параметр) при бесконечно большом (сплошные кри­ вые) и максимальном (пунктирная ли­ ния) обменных усилениях преобразова­

ния.

лучаем далее пределы, в которых должна находиться частота накачки, чтобы можно было получить бесконечно большое усиление преобразо­ вания

Нагрузкой преобразователя в таком случае в соответствии с (3.60) является лишь реактивность, настраивающая в резонанс выходной контур. Этот результат не удивителен, если принять во внимание, что усиление преобразования при этом теоретически бесконечно велико и преобразователь практически возбуждается. В действительности, соотношения (3.70) и (3.72) в практически используемом преобразова­ теле не могут быть выполнены. Поэтому их следует понимать как пре­ дельные соотношения, свидетельствующие о теоретических возможно­ стях устройства, которые на практике могут быть реализованы только с некоторым приближением. Оно тем больше, чем меньше требуемый

84

интервал удаления от состояния возбуждения преобразователя. Гра­ фически соотношения (3.70)—(3.72) представлены на рис. 3.20—3.22.

Интересно найти оптимальную частоту накачки и оптимальную выходную частоту, которая при сохранении условия бесконечно боль­ шого усиления преобразования минимизирует температуру шума пре­ образователя. Приравняв производную (3.72) по со; нулю, получим

Рис. 3.21. Области возможного и невозможного неограниченного обменного уси­ ления преобразования в трехчастотном преобразователе с нижней боковой типа модулятора или демодулятора в зависимости от динамической добротности варакторного диода на частоте сигнала (ось абсцисс) и на частоте накачки (ось ординат).

Рис. 3.22. Зависимость обменной шумовой температуры в трехчастотном преоб­ разователе с нижней боковой типа модулятора или демодулятора от динамиче­ ской добротности варакторного диода на сигнальной частоте (ось абсцисс) и на выходной частоте (параметр) в случае бесконечно большого обменного .усиле­ ния преобразования (сплошные кривые), а также в случае максимального обмен­ ного усиления преобразования (прерывистые кривые) при условии, что диод, на­ ходится при стандартной температуре 7^=290° К.

Выражение (3.75) идентично выражению (3.40), определяющему минимальную температуру шума Т\" двухчастотного преобразователя с верхней боковой типа модулятора.

Оптимальной частоте накачки (3.74) соответствует выходная час­

86

ного диода на сигнальной частоте в трехчастотном преобразователе с нижней бо ­ ковой типа модулятора или демодулятора с неограниченным обменным усилением

Линия с мелкими штрихами разделяет области, в которых преобразователь работает как модулятор или демодулятор. Прерывистая кривая соответствует оптимальной добротности варакторного диода на выходной частоте, которая обеспечивает минимальную шумовую тем­ пературу при неограниченном усилении. Непрерывная кривая ограничивает область поло­ жительного конечного усиления.

Рис. 3.26. Зависимость сопротивления генератора, обеспечивающего минимальную обменную шумовую температуру, от динамической добротности варакторного диода на сигнальной частоте в трехчастотном преобразователе с нижней боковой типа модулятора или демодулятора.

86

Зависимости (3.74)—(3.77) представлены на рис. 3.23—3.26.

До сих пор оптимизация параметров преобразователя основыва­ лась на предположении, что q'0 > 1, а это в результате приводило к воз­ можности получения в преобразователе неограниченного усиления. Теперь рассмотрим случай, когда

0 « 7 $ < 1 . (3.78)

Рис. 3.27. Зависимость максимального обменного усиления преобра­ зования' от динамической добротности варакторного диода на сиг­ нальной (ось абсцисс) и на выходной (параметр) частотах в трехчастотном преобразователе с нижней боковой типа модулятора или демодулятора.

Из выражения (3.65) следует, что усиление Ge всегда положитель­ но, как положительны действительные части входного и выходного импедансов (3.61) и (3.62). Обменное1) усиление сводится при этом к рас­ полагаемому усилению и достигает максимального значения (рис. 3.27).

когда сопротивление генератора

1 1 См. приложение П.1.

87

тель согласован с обеих сторон. Зависимости ( 3 . 8 0 ) и ( 3 . 8 2 ) показаны пунктирной линией на рис. 3 . 20 , а зависимость ( 3 . 8 1 ) — на рис. 3 . 22 .

шом усилении преобразования) температура шума достигает миниму­

вания достигало бесконечно большой величины, получены выражения ( 3 . 7 4 ) , ( 3 . 7 6 ) , ( 3 . 7 7 ) , при которых температура шума ( 3 . 7 5 ) мини­ мальна.

Вычисление параметров преобразователя при обеспечении мини­ мальной температуры шума можно начать с нахождения минимума вы­

который идентичен с ( 3 . 4 0 ) при условии, что |<71 ) 0 | будет заменено на |9г,о|- Это очевидно, так как выходные зависимости ( 3 . 6 9 ) и ( 3 . 2 7 ) одинаковы. Необходимое значение Те в соответствии с ( 3 . 8 5 ) дости­ гается тогда, когда сопротивление генератора составляет

88

Из уравнения (3.87) следует, что Ge достигает бесконечно большого значения, если выполняются соотношения (3.74) и (3.76). Если выход­

будут отрицательны, в то время как в противном случае обе эти вели­ чины положительны.

3.5.ДВУХЧАСТОТНЫИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

СНИЖНЕЙ БОКОВОЙ ТИПА ДЕМОДУЛЯТОРА

Этот тип преобразователя отличается [9] от рассмотренного толь­ ко тем, что в нем частота выходного сигнала после преобразования меньше частоты входного сигнала, т. е. со0 > со;. Это означает, что час­ тота накачки в таком преобразователе удовлетворяет условию

Все формулы, графики и выводы § 3.4 относятся и к этому типу преобразователя без необходимости менять в них что-либо.

3.6.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ДВУМЯ БОКОВЫМИ

Рассмотренные в § 3.2 и 3.4 двухчастотные преобразователи.с од­ ной боковой типа модулятора (с повышением частоты) обладают прин­ ципиально разными чертами, если речь идет о возможностях усиления при близких шумовых характеристиках. Преобразователь с верхней боковой характеризуется ограниченным усилением и положительными действительными частями входного и выходного импедансов. Преоб­ разователь с нижней боковой при выполнении условия q[> I обладает возможностью бесконечно большого усиления, имея одновременно от­ рицательные действительные части входного и выходного импедансов. Поэтому становится интересным анализ [1—3, 10, 14—19, 25, 26, 28, 32, 36] устройства, через варактор которого помимо тока источника сигнала с частотой со0 протекают токи с частотами соответствующими

89

обеим боковым: щ = со,, + со0 и сог = со,, — C U 0 (рис. 3.29). Нагрузка в таком преобразователе может быть расположена в контуре, настроен­ ном на частоту щ либо со,-; при необходимости мощность может отби­

Рис. 3.29. Эквивалентная схема преобразователя с двумя боковыми типа модулятора.

3.6.1.О Б Щ И Е АНАЛИТИЧЕСКИЕ С О О Т Н О Ш Е Н И Я

ДЛ Я ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С Д В У М Я Б О К О В Ы М И ТИПА М О Д У Л Я Т О Р А

На основе (2.29) и (2.39) составим основную систему уравнений, описывающих свойства смесителя при малых сигналах:

где значения отдельных элементов матрицы [ZJ можно найти из (3.14), (3.15) и (3.54) с той лишь разницей, что нагрузка Z H a r p может быть ли­ бо учтена только в одной из составляющих Z _ l t - 1 или Z X i l , либо соот­ ветственно распределена на оба элемента в зависимости от того, каким образом отбирается мощность преобразованного сигнала.

Из уравнений (3.90) и (3.15) следует, что существенную роль в ра­ боте преобразователя будет играть также вторая гармоника S 2 эластан­ са (при воздействии накачки), которая не наблюдалась в рассмотренных ранее трехчастотных преобразователях с одной боковой. Этой гармонике соответствует частота 2сон и в процессе преобразования теперь участ­ вуют пять частот. Поэтому такие устройства иногда называют пятичастотными преобразователями с двумя боковыми, а если пренебрегают второй гармоникой эластанса 5 2 = 0, то четырехчастотными1 '. В даль­ нейшем проведем сперва общий анализ [16] пятичастотного преобразо­ вателя с двумя боковыми, а затем упростим полученные результаты для случая четырехчастотного.

Используя (3.5), (3.15)—(3.17) и (3.57), получим следующее выра­

90