книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

где Fc = Q J 2n, f c = wc/2n и F M= QM/2n, fM= юм/2я — часто­ ты модуляции и частоты несущих полезного и мешающего сигна­ лов; mс, т м — коэффициенты модуляции полезного и мешающего

сигналов.

Разлагая выходной ток лампы и полевого транзистора гвых — = / ( Е0и) по степеням малого напряжения и подставляя значение и, выделяя после преобразований амплитуды токов принимаемого сиг­ нала с частотой f с, амплитуды токов с частотами F с и Fm находим коэф­ фициент перекрестной модуляции в виде

и поэтому коэффициент перекрестной модуляции мал. При воздействии на вход приемника нескольких мощных сигналов, близких по частоте, они вызовут перекрестную модуляцию. В этом случае для уменьшения перекрестной модуляции целесообразно применить в первом каскаде приемника полевой транзистор со структурой МОП.

При одновременном воздействии полезного и мешающего сигналов на вход каскада, имеющего нелинейную характеристику, на его выходе в спектре результирующего сигнала возникают новые комбинацион­ ные составляющие. Получившееся изменение спектра эквивалентно искажению закона изменения мгновенной частоты или фазы результи­ рующего колебания во времени, что приводит к искажению частотной или фазовой модуляции. Анализ этих искажений весьма сложен.

В транзисторном каскаде при f < f r перекрестная модуляция в ос­ новном обусловлена нелинейностью входной характеристики и коэф­

Для уменьшения перекрестной модуляции в каскадах на лампе и полевом транзисторе следует выбирать режим работы этих УП так, чтобы отношение glxlgix было наименьшим, и снижать амплитуду входного мешающего сигнала, улучшая избирательность каскадов, включенных перед рассматриваемым каскадом.

Для уменьшения перекрестной модуляции в каскаде на тран­ зисторе необходимо уменьшать амплитуду входного мешающего сиг­ нала улучшением избирательности предшествующих каскадов.

ПО

удается реализовать при применении квантовых усилителей. Для нормальной работы квантовых усилителей требуются постоянные маг­ нитные поля с большой напряженностью и сверхнизкие температуры, что затрудняет практическое использование таких усилителей. Ос­ новное применение в настоящее время они находят в системах сверх­ дальней космической связи и в радиоастрономии. Более широкое рас­ пространение получили полупроводниковые параметрические усили­ тели и усилители на туннельных диодах. Это объясняется тем, что такие усилители при достаточно больших величинах коэффициента усиления и полосы пропускания имеют низкий уровень собственного шума, при этом их конструктивные и эксплуатационные характеристи­ ки удовлетворяют большинству практических требований.

При применении квантовых усилителей, параметрических усили­ телей на полупроводниковых диодах и усилителей на туннельных дио­ дах используют два варианта схем их включения в радиоприемное уст­ ройство: схему «на проход» и схему «на отражение», показанные со­ ответственно на рис. 4.1, а и б. При этом усилители называют проход­ ными или отражательными. В этих схемах для развязки малошумящего усилителя (МШУ) от предыдущих и последующих каскадов прием­ ника применяют ферритовые вентили и циркуляторы, принцип дейст­ вия и характеристики различных типов которых описаны в [1 ]. В схе­ ме на рис. 4.1, а падающая волна усиливаемого сигнала проходит через развязывающий ферритовый вентиль В и усиливается в малошумящем усилителе МШУ и далее через ферритовый вентиль В 2 поступает в на­ грузку. В схеме на рис. 4.1, 6 падающая волна усиливаемого сигнала через плечо 1—2 ферритового циркулятора Ц поступает на вход мало-

112

шумящего усилителя МШУ, коэффициент отражения которого по мо­ дулю превышает единицу. Усиленная по мощности отраженная волна через плечо 2—3 циркулятора поступает в нагрузку усилителя. Преи­ мущество схемы «на отражение» состоит в том, что при выходе усили­ теля из строя прохождение сигнала не прекращается и приемник продолжает работать, хотя и с пониженной чувствительностью.

Практическое применение этих схем требует тщательного согласо­ вания входных сопротивлений всех элементов тракта, так как в про­ тивном случае в нем возникают многократные переотраженпя сигнала и внутреннего шума. Эти переотраженпя ухудшают электрические характеристики усиления, повышают шумовую температуру приемни-

Рис. 4.1 Рис. 4.2

ка йз-за дополнительного усиления шума входной цепи последующего каскада, а в некоторых случаях могут даже привести к самовозбужде­ нию устройства.

Большая работа, проведенная в последние годы по исследованию и разработке электронно-лучевых параметрических усилителей и малошумящих ламп бегущей волны, привела к существенному сниже­ нию шумовой температуры таких приборов, поэтому они также приме­ няются в качестве усилителей в дециметровом и сантиметровом диа­ пазонах.

В случае применения малошумящих усилителей большое влияние на результирующие шумовые характеристики приемника может оказы­ вать шум следующего каскада. Для уменьшения влияния этого шума в приемниках различного назначения целесообразно использовать сочетания малошумящих усилителей различных типов, показанные на

рис. 4.2.

Сочетание «КУ — ППУ» применяют в приемниках космической радиосвязи и радиоастрономии, причем параметрический усилитель обычно охлаждают до температуры жидкого азота (77 К).

Сочетания «ЭПУ-УТД», «ППУ-УТД» применяют] в радиолока­ ционных системах, при этом часто полупроводниковый параметри­ ческий усилитель используют в режиме преобразования частоты уси­ ливаемого сигнала, а усилитель на туннельных диодах работает как предварительный усилитель промежуточной частоты.

113

.Сочетание «ЛБВ’ЛБВ», в котором используют два каскада уси­ ления на лампах бегущей волны, обычно охлаждаемые до температуры жидкого азота (77 К) или жидкого гелия (4 К), целесообразно приме­ нять там, где требуется получить усиление при малом уровне шума в широкой полосе частот с большим коэффициентом усиления и широ­ ким динамическим диапазоном. В качестве примера можно привести приемники ретрансляционных станций или приемники систем радиотеплолокаци и.

Вопрос об использовании различных малошумящих усилителей или их сочетании в каждом конкретном случае должен решаться с учетом всех специфических особенностей приемника и самих уси­ лителей.

г 4.2. Параметрические усилители

Принцип действия параметрических усилителей основан на пре-

•образовании энергии колебаний местного генератора, который обычно называют генератором «накачки», в энергию принимаемого сигнала. Это преобразование осуществляется с помощью реактивных элементов:

параметрические усилители имеют самые низкие шумовые температуры. В схемах параметрических усилителей СВЧ широкое распростра­ нение получили управляемые емкости, в качестве которых используют запертый р-п переход полупроводникового диода. Реже в схемах пара­ метрических усилителей используют управляемые индуктивности, которые в большинстве случаев в диапазоне СВЧ реализуют с помощью ферритов. Для нормальной работы параметрического усилителя с ис­ пользованием феррита необходимо постоянное магнитное поле и до­ статочно мощный генератор накачки, под действием которого меняет­ ся индуктивность ферритового элемента. Эти факторы ограничивают

практическое применение таких усилителей.

Теоретически оба вида усилителей оказываются эквивалентными. Поэтому в последующем теория излагается применительно к пара-' метрическим усилителям на полупроводниковых диодах. Простейший параметрический диод (рис. 4.3) представляет собой керамический или кварцевый патрон с двумя выводами (ниппели проходной и глу­ хой), между которыми включен полупроводниковый р-п переход (полупроводниковая пластина). При подаче на выводы диода постоян­ ного отрицательного напряжения, которое его запирает, емкость р-п перехода можно представить в виде емкости конденсатора, величина которой зависит от величины приложенного напряжения. Эта зави­ симость, показанная на рис. 4.4, выражается с помощью формулы

где ирп — напряжение, приложенное к р-п переходу диода; С (0) — емкость диода при ирп~ 0, обычно изменяется от нескольких деся­ тых до нескольких пикофарад для диодов разных типов; В = 2-1-3 —

114

Формула (4.1) остается справедливой при изменении частоты при­ ложенного напряжения вплоть до коротковолновой части сантимет­ рового диапазона. При усилении сигналов с длиной волны короче ~ 2 см начинают сказываться конечные размеры р-п перехода. Прак­ тически это проявляется в потере воспроизводимости параметров усилителей от образца к образцу. Поэтому при проектировании полу­ проводниковых параметрических уси­ лителей в коротковолновой части сан­ тиметрового диапазона ив миллимет-» ровом диапазоне необходимо учиты* вать распределенные параметры па­ раметрических диодов.

'Kunhejri

проходной

Керамический

патрон

Металли ческам пружина.

Колупро8о8ник8-

8ая пласт ина ^ ч Ниппель глухой.

Рассмотрим принцип действия параметрического усилителя. Про­ цесс преобразования энергии колебания генератора накачки в энер­ гию принимаемого сигнала можно рассмотреть на примере простейшей

схемы параметрического усилителя, которая изображена на рис. 4.5, а. В этой схеме источник тока усиливаемого сигнала гх = / х sin (со^ -К -f <рх) соединен параллельно с колебательным контуром LK1, Ск1,

115

настроенным на частоту соъ и эквивалентной проводимостью g 3l =

= g i+ g iu + & n . гДе §i — проводимость источника сигнала, g K1 — про­ водимость контура и g H— проводимость нагрузки. Начальная ем­ кость диода устанавливается с помощью источника постоянного на­ пряжения Е, зашунтированного блокировочным конденсатором Сб. Емкость р-п перехода изменяется с помощью генератора накачки, представленного на схеме источником тока

h = h sin (со ^ + ср2),

включенным параллельно колебательному контуру 1 К2, Ск2, настроен­

Подставляя (4.2) в (4.1) и учитывая, что при работе усилителя сум­ марное мгновенное значение напряжения на р-п переходе диода от­ рицательно, т. е.

ваемого параметрического усилителя может быть изображена в виде, показанном на рис. 4.5, б. Эквивалентная емкость р-п перехода пред­ ставлена на этой схеме параллельным соединением конденсаторов по­ стоянной емкости Ср и переменной емкости АС (t) = mCv cos (о>2( + + ф2). Общая эквивалентная емкость контура, настроенного на час­

116

Так как т' = тСр/Ск1 + Ср <С т, то эффективность действия генератора накачки при наличии емкости контура СК1 будет снижена. Поэтому в схемах параметрических усилителей не только не ставят конденсаторов CKi, а даже принимают специальные конструктивные меры для уменьшения величины емкостей, шунтирующих параметри­ ческий диод.

Для рассмотрения процесса усиления в схемах параметрических усилителей необходимо вычислить ток в нагрузке. В общем случае эта задача связана с составлением на основании законов Кирхгофа дифференциального уравнения цепи и его последующим решением. Такой метод анализа является точным, но громоздким и сложным, поскольку обычно получаются весьма сложные дифференциальные уравнения, решения которых могут быть выражены через гармони­ ческие функции только в виде бесконечных рядов. Практически интен­ сивности отдельных гармоник в этих рядах могут сильно различаться и определяются в первую очередь величинами сопротивлений для этих гармоник в цепях усилителя. Это соображение положено в основу раз­ личных приближенных методов анализа процессов в схемах парамет­

При выборе частоты накачки со2 = 2 сох в составе 1дс будет при­ сутствовать составляющая с частотой сигнала coj. Сложение этой сос­ тавляющей на сопротивлении контура LK1, СК1 с током i lt обусловли­ вает параметрическое усиление сигнала. Действительно, для случая точного равенства <о2 = 2 сох, выражение для тока частоты сигнала, действующего на контур LK1, Ск1, можно записать в виде

ia = /г+ А/х — / t sin (©! £ + 9i) +

Из формулы (4.5) видно, что величина тока tc зависит от глубины модуляции емкости Сд и разности фаз между напряжениями сигнала и накачки. Эта зависимость, связанная с процессом суммирования на сопротивлении нагрузки возникающих в параметрической цепи раз­ личных гармонических колебаний, обусловливает зависимость коэф­ фициента передачи и полосы пропускания параметрических усилите­ лей от параметров колебания накачки. Более рациональное построе-

117

Hvie схемы усилителя позволяет значительно ослабить влияние фазы колебания накачки на процесс усиления сигнала.

Это ослабление связано с формированием приращения тока сиг­ нала Д£а, не зависящего от фазы колебания накачки. Такой эффект в схеме параметрического усилителя можно получить, если исполь­ зовать дополнительную гармонику тока в диоде. Для этого последо­ вательно с контуром, настроенным на частоту сигнала, включают «холостой» колебательный контур L K3, Скз, шунтированный проводи­ мостью g кз. Этот контур настраивают на одну из гармоник тока в диоде. Усилитель, в схему которого введен дополнительный колебательный контур, называется двухконтурным параметрическим усилителем.

о

Рис. 4.6

Схема такого усилителя приведена на рис. 4.6, а. При анализе процес­ сов в этой схеме параметрический диод может быть заменен параллель­ ным соединением конденсаторов постоянной и переменной емкостей, величины которых определены формулой (4.3). В результате получим эквивалентную схему усилителя, изображенную на рис. 4.6, б.

Выбор значения частоты настройки «холостого» контура опреде­ ляет режим работы двухконтурного параметрического усилителя. Часто используют режим с со3 = со2 — сох. Под действием напряже­ ния сигнала и г (t), которое приложено к емкости Сд, в результате па­ раметрического преобразования мощности генератора накачки появ­ ляется, как видно из (4.4), ток разностной частоты м3 = со2— соj с фа­ зой ф3 = ф2 — Фо Этот ток, протекая через «холостой» контур, создает на нем падение напряжения u3{t), которое в свою очередь воздействует на р-п переход диода. В результате возникает вторичное параметри­ ческое преобразование энергии колебаний генератора накачки в энер­ гию усиливаемого сигнала. Таким образом, в схеме на рис. 4.6, б*

*дс — (А С [Ui (/) - f ы3 (/)]}.

! 18

Учитывая (4.3) и (4.4), получаем

1'дс= ■— {тСр cos (со21 + ф2) [t/, cos (содt + фд) —

— U3cos [(oa,— <вх) t + ф2 — + ф,111,

Из выражения (4.8) следует, что величина тока ic не зависит от фазы колебания накачки, но зависит от параметров холостого контура и его настройки. Это в конечном счете определяет зависимость коэффици­ ента усиления и полосы пропускания двухконтурного параметриче­ ского усилителя от параметров и настройки холостого контура.

Процесс суммирования токов в схемах параметрических усилите­ лей при расчетах часто удобно представлять в виде подключения к це­ пи дополнительной отрицательной проводимости. Действительно, ам­ плитуда напряжения сигнала на контуре LKl, Ск1 в рассмотренных цепях имеет вид

+Ян-

Вправой части равенства (4.9) приращение тока А/д заменено отри­

цательным приращением — g эквивалентной проводимости g3l. Это справедливо, если

Для одноконтурной схемы, приведенной на рис. 4.5, а, на основании формулы (4.5) при фа — фд + я = фд

а для двухконтурной схемы, приведенной на рис. 4.6, а, при точной настройке «холостого» контура, т. е. при ф3 = 0, согласно (4.8)

119