книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

В приведенном анализе полупроводниковый диод рассматривался как идеальная нелинейная емкость, в которой отсутствуют тепловые потери. В действительности эквивалентная схема реального полу­ проводникового диода оказывается более сложной. На рис. 4.7 при­ ведена эквивалентная схема точечного полупроводникового диода в за­ пертом состоянии. Такие диоды находят применение в параметрических усилителях СВЧ.

Для существующих типов точечных диодов характерны следующие величины параметров эквивалентной схемы: емкость диода в рабочей

Таким образом, критическая частота характеризует возможность использования параметрических диодов для усиления сигналов в за­ данном диапазоне частот. Критические частоты современных диодов лежат в диапазоне 30—60 ГГц.

Физический принцип параметрического усиления был установлен

впрошлом веке Фарадеем и Релеем. Советские ученые Л. И. Мандель­ штам и Н. Д. Папалекси изучили параметрические явления в элект­ рических цепях и обосновали возможность использования параметри­ ческих систем для генерации и усиления радиосигналов. Последующее развитие теория параметрических систем получила в трудах отечест­ венных и зарубежных ученых и, в частности, в трудах советских уче­ ных А. П. Белоусова, Г. С. Горелика, В. А. Котельникова и многих других. Первые сообщения о практической реализации параметри­ ческих усилителей относятся к 1958 г. Современное состояние теории

итехники параметрического усиления достаточно подробно изложено

в12—5, 10].

120

Баланс мощностей в цепях ППУ и режимы их работы

Параметрические усилители, эквивалентные схемы которых при­ ведены на рис. 4.5, а и 4.6, а, являются простейшими. На практике могут быть реализованы более сложные схемы. Расчет параметров таких усилителей на основе анализа спектрального состава тока в ем­ кости Сд получается достаточно громоздким. В таких случаях с боль­ шей эффективностью может быть использован метод анализа, основан­ ный на рассмотрении баланса средних мощностей отдельных гармоник в цепях параметрического усилителя.

Запертый полупроводниковый диод представляет собой нелинейную емкость, которую можно охарактеризовать некоторой функциональной зависимостью заряда q от напряжения ирп, т. е. q— q(upn). Предполагается, что функциям однозначна, но произвольна. К такой нелинейной емкости в цепях любого пара­ метрического усилителя приложены: напряжение сигнала и напряжение гене­ ратора накачки с частотами о, и со2 соответственно.

Так как выражение (4.13) представляет собой комплексную запись действи­ тельной величины q, коэффициенты разложения Qn; должны удовлетворять сле­ дующим условиям: Qni=Q - л , —/; Qni = Q_„ (Здесь и везде в последую­

щем звездочка означает комплексно-сопряженную величину.)

Ток, протекающий через нелинейную емкость, можно найти, дифференцируя

где п, 1 = 0 , ±1, ±2 ...

Для того чтобы мощность могла подводиться к емкости или отбираться от нее на любой из этих частот, в цепи должна быть нагрузка для соответствующей

частоты.

Рассмотрим баланс средних мощностей в цепи. Если нелинейный конден­ сатор не обладает потерями, то в силу закона сохранения энергии средняя мощ­ ность, потребляемая цепью в целом, должна быть равна арифметической сумме средних мощностей, потребляемых в каждом из элементов цепи. Другими сло­ вами, сумма средних мощностей, выделяющихся в нелинейной емкости, которая является общим элементом цепи, на всех гармониках равна нулю, т. е.

ОО ОО

12!

Согласно теории цепей и приведенным формулам, для средней мощности комбинационной гармоники 0)ni можно записать следующее выражение:

где Ini, Uni — Действующие значения тока и напряжения комбинированной гармоники ып1.

Выражение (4.15) можно преобразовать, если его каждое слагаемое умно­ жить и разделить на соответствующую комбинационную частоту шп\, определя­ емую формулой (4.14). Тогда

зованы к другому виду. Например, разбивая суммирование по п в (4.18) на два

В этом выражении суммирование по отрицательным значениям индекса п заме­ нено суммированием по его положительным значениям и учтен безразличный порядок суммирования по индексу I. Окончательно можно записать

от параметров внешней цепи, уровней сигналов различных частот и формы кри­ вой q (ирп), характеризующей нелинейную емкость. Они отражают баланс мощ­ ностей в цепях параметрических усилителей и показывают, как мощность ис­ точников сигнала и накачки распределяется между отдельными комбинацион­ ными гармониками, протекающими через нелинейную емкость.

В принципе любая из комбинационных гармоник сигнала и накачки может рассматриваться в качестве выходного сигнала параметрического усилителя. При этом мощность колебания в нагрузке, которая подключается к контуру, настроенному на выбранную комбинационную гармонику, может существенно

122

превосходить мощность сигнала, выделяющуюся в контуре, настроенном на ча­ стоту сигнала. Такой режим преобразования частоты сигнала с одновременным усилением по мощности часто используют в параметрических усилителях.

Таким образом, в зависимости от используемых комбинационных гармоник и места подключения нагрузки возникают многочисленные варианты схем параметрических усилителей и их режимов работы. В этих случаях на осно­ вании анализа соотношений (4.20) и (4.21), записанных для соответствующей схе­ мы, удается оценить предельные характеристики различных типов усилителей.

Применение соотношений Мэнли — Роу рассмотрим на примере анализа рассмотренного двухконтурного параметрического усилителя, одна из возможных схем которого изображена на рис. 4.6, а. Такие уси­ лители нашли достаточно широкое применение на СВЧ, так как имеют сравнительно простую конструкцию при хороших электрических и эксплуатационных параметрах. Любая схема двухконтурного парамет­

объяснен тем, что схема усилителя должна быть линейной по отно­ шению к колебанию сигнала, т. е. в ней должны отсутствовать гар­ моники частоты сигнала Таким образом, процессы в двухконтурном параметрическом усилителе практически целиком зависят от распре­ деления мощностей гармоник с частотами со1( со2 и со3 = он + 1щ. Поэтому для такого усилителя общие соотношения (4.20) и (4.21) уп­ рощаются и принимают вид

ность комбинационной гармоники.

Соотношения (4.22) и (4.23) можно представить в виде пропорции

линейную емкость, является положительной, а отдаваемая ею в на­ грузку — отрицательной. Тогда на основании соотношения (4.24) можно определить условия, при которых возникает параметрическое усиление в схеме двухконтурного параметрического усилителя. Из формулы (4.24) видно, что эти условия зависят от соотношения между частотами colt со2 и той комбинационной частотой со3, на которую на­ строен фильтр. В зависимости от этих соотношений можно рассмотреть основные режимы работы таких усилителей.

Преобразование «вверх» с усилением. В этом случае нагрузка вклю­ чается (пунктир на рис. 4.6, а) в холостой контур, настраиваемый на частоту комбинационной гармоники со3 = о»! + /со2 > 0, т. е. зна­ чения / положительны. Тогда максимально возможный коэффициент передачи по мощности на основании (4.24) будет равен

123

К р ~ \ P U \fPlO — (® l + /0)2)/ft)t .

Эго усиление тем больше, чем больше величина Iа>2. Обычно I — I, а увеличение частоты со2 затрудняется с ростом частоты усиливаемого сигнала, поэтому такие усилители-преобразователи находят ограничен­ ное применение в диапазоне метровых волн.

Рассматриваемый усилитель будет устойчив, так как из формулы (4.24) следует, что Р10> 0 и Р01 > 0, т. е. ветви цепи, в которых рас­ положены генераторы сигнала и колебания накачки дополнительно нагружаются. Это равносильно введению в них положительных соп­ ротивлений.

Преобразование «вниз» с усилением. В этом режиме холостой кон­ тур настраивается на комбинационную гармонику, у которой частота ш3 — ®i + /со2< 0 , т. е. значения I отрицательны. Появление «от­ рицательной» частоты имеет формальный характер и связано с при­

Pta<C 0 и Ри < 0. Таким образом, в этой схеме мощность потребляет­ ся от генератора накачки и преобразуется в мощность сигнала и ком­ бинационного колебания. Введение энергии в цепи сигнала и комбина­ ционного колебания эквивалентно введению в них отрицательных со­ противлений. При достаточно большой величине вносимого отрицатель­ ного сопротивления такой усилитель возбуждается и генерирует мощ­ ность на частоте сигнала или «холостой частоте» <о3.

В невозбужденном режиме, когда потери в цепях усилителя компен­ сируются частично, а нагрузка включена в контур, настроенный на частоту сигнала, он работает как регенеративный усилитель. В случае, если нагрузка включена в холостой контур, одновременно с усилением преобразуется частота сигнала. Из самого способа образования при / = — 1 комбинационной частоты со3 = со2 — щ, следует, что в этом случае происходит так называемое обращение спектра сигнала, при котором верхние боковые составляющие в спектре сигнала становятся нижними боковыми в спектре комбинационного колебания, и наоборот: нижние —верхними. В отличие от регенеративного усилителя при та­ ком способе включения нагрузки усиление может быть получено не только за счет регенерации, но и за счет эффекта преобразования с повышением частоты, при этом коэффициент передачи по мощности Кр тем больше, чем больше отношение (Оз/coj. Такой режим работы пара­ метрических усилителей получил распространение при усилении сигналов в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн.

Применение двухконтурных параметрических усилителей в ре­ жимах с преобразованием частоты усиливаемого сигнала позволяет развязать по частоте вход и выход параметрического усилителя,

124

что в конечном счете не только упрощает конструкцию приемника, но и улучшает его электрические характеристики.

Теория двухконтурных параметрических усилителей в режиме

преобразования частоты усиливаемого сигнала подробно рассмотрена в [4, 5].

Вырожденный режим. В простейшем случае эффект параметриче­ ского усиления можно получить, если выбрать со3 = |/|со2 — ©1 « л* юг. Тогда в параметрическом усилителе для выделения комбина­ ционной гармоники можно использовать тот же контур, что и для сиг­ нала. В таком режиме схема двухконтурного параметрического уси­ лителя трансформируется, т. е. вырождается в схему одноконтурного регенеративного параметрического усилителя, которая приведена на рис. 4.5, а. В контуре одноконтурного параметрического усилителя, настроенном на частоту усиливаемого сигнала, в общем случае суще­ ствуют два колебания различных частот (Oj и со3. Амплитуды этих коле­ баний увеличиваются из-за регенерации. В случае точного равенства комбинационной частоты и частоты сигнала, в контуре существует одно колебание, которое является суммой колебания комбинационной ча­ стоты и сигнала. Такой режим работы одноконтурного параметриче­ ского усилителя называется синхронным или вырожденным. Обычно в параметрических усилителях используют синхронный режим, со­ ответствующий I — 1, т. е. о)2 = 2(ох. В случаях, если со3 Ф coj, в сиг­ нальном контуре возникают биения, а режим работы усилителя на­ зывают бигармоническим.

Применение одноконтурных параметрических усилителей для уси­ ления реального сигнала с неизвестной фазой затрудняется, потому что обеспечить оптимальную фазу накачки в синхронном режиме, при которой усиление получается максимальным, весьма сложно, а неста­ бильности частоты генератора накачки или частоты сигнала приводят в бигармоническом режиме к возникновению биений и связанных с ни­ ми пульсаций амплитуды и изменений фазы результирующего колеба­ ния. Одноконтурный параметрический усилитель является наименее сложным из параметрических усилителей, поэтому, несмотря на отме­ ченные недостатки, обычно он находит применение при усилении коле­ баний в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн. При этом, как правило, используется основная гармоника генератора накачки, частота которой в два раза превышает частоту усиливаемого сигнала.

Как следует из соотношений (4.22) и (4.23), можно разработать па­ раметрические усилители с низкочастотной накачкой, если исполь­ зовать высшие гармоники модуляции нелинейной емкости полупровод­ никового диода.

Основные электрические характеристики регенеративных ППУ

Коэффициент передачи. В теории регенеративных усилителей используют следующее определение номинального коэффициента пере­ дачи по мощности: номинальным коэффициентом передачи по мощ­ ности называют отношение мощности PIV которая рассеивается в

125

Эквивалентная схема одноконтурного или двухконтурного усили­ теля проходного типа представлена на рис. 4.8. В этой схеме источник

Мощность, которая рассеивается в нагрузке, с учетом (4.9) будет

Подставляя (4.26) и (4.27) в (4.25), для коэффициента передачи по мощности при включении усилителя по схеме «на проход» получаем

Из формулы (4.29) видно, что в схеме может быть получено сколь угодно большое усиление, однако с ростом усиления растет его неста­ бильность. Поэтому на практике получить усиление больше 10—20 дБ практически не удается — усилитель переходит в режим генерации. В соответствии с формулами (4.10), (4.11) и (4.29) можно найти условия

125

где d B1 — эквивалентное затухание сигнального контура в усилителе проходного типа.

Допустимая наибольшая величина коэффициента модуляции ем­

Учитывая, что g-K3 = dB3a)3Cp, где dd3 — эквивалентное затухание холостого контура, получаем

Формулы (4.31) и (4.32) позволяют рассчитать максимально допу­ стимую величину амплитуды колебания накачки. Коэффициент пе­ редачи одноконтурного или двухконтурного параметрического усили­ теля не зависит, как следует из (4.29), от амплитуды сигнала, т. е. та­ кой усилитель можно рассматривать для сигнала как линейную цепь. Это справедливо только при малых уровнях сигнала, так как во всех проведенных рассуждениях считалось, что напряжение на колебатель­ ном контуре, настроенном на частоту накачки, сохраняется постоян­ ным. При значительном уровне сигнала положительная проводимость, которая вносится в этот контур, на основании соотношений Мэнли — Роу может быть соизмерима с проводимостью контура. С увеличением мощности сигнала при постоянной номинальной мощности накачки, напряжение на контуре накачки будет снижаться и тем больше, чем большая проводимость вносится в этот контур. Это приведет к умень­ шению значения параметра регенерации а, следовательно, усиление уменьшится при увеличении уровня входного сигнала. Произойдёт насыщение параметрического усилителя. Количественный анализ этих явлений, приведенный в [2], показывает, кроме того, что из-за нелиней­ ности емкости диода расстраиваются сигнальный и холостой контуры.

Полоса пропускания П параметрических усилителей может быть определена из условия уменьшения величины коэффициента передачи Кр вдвое по сравнению с его величиной при резонансе, что соответ­

ствует уменьшению амплитуды колебания на выходе усилителя в / 2 раз. Таким образом, из условия

Здесь Пк1 = fxdoi — полоса пропускания колебательного контура, настроенного на частоту усиливаемого сигнала, при выключенном генераторе накачки. Из (4.11) и (4.30) следует, что в двухконтурном параметрическом усилителе величина коэффициента регенераДии а

127

зависит от проводимости холостого контура. Она достигает максималь­ ного значения при точной настройке холостого контура на частоту со3. Это обусловливает зависимость параметров усилителя от настройки холостого контура и его параметров. В частности, можно показать, что полоса пропускания двухконтурного параметрического усилителя оп­ ределяется формулой следующего вида [2]:

где П Кз — полоса пропускания холостого контура. Формула (4.34) совпадает с формулой (4.33) тогда, когда

Пщ/Пкз — M a l /ю з^эз — COi/Юз 1.

Условие d 3l « dg3 выполняется в случае пренебрежения шунтиру­ ющим действием источника сигнала и нагрузки на сигнальный контур.

Таким образом, полоса пропускания двухконтурного параметри­ ческого усилителя в общем случае оказывается меньше, чем у одно­ контурного.

Для расширения полосы пропускания параметрических усилителей часто применяют корректирующие цепи.

Корректирующие цепи рассчитывают из условия компенсации мни­ мой части коэффициента регенерации а, который при расстройке можно рассматривать как комплексную величину. В диапазоне СВЧ компен­ сирующие контуры могут быть образованы с помощью штырей в волно­ воде, шлейфов, отрезков линий и т. д. При большом числе настроечных элементов параметрического усилителя часть из них может выполнять роль корректирующих элементов, поэтому имеется принципиальная возможность обеспечить широкую полосу пропускания. Выигрыш в полосе пропускания из-за компенсации может составить 3-4 раза при усилении порядка 15 дБ.

Как следует аз формул (4.29) и (4.33), произведение корня квадрат­ ного из коэффициента передачи по мощности на полосу пропускания не зависит от коэффициента регенерации а. Поэтому это произведение часто называют инвариантом параметрического усилителя. В широко­ полосных схемах с компенсацией инвариантом может быть произве­ дение полосы пропускания на корни из Кр более высокой степени.

Иногда для получения больших величин произведения ф^/СрП при­ меняют сверхрегенерацию и несинусоидальную накачку. При этом удается получить значительное усиление на каскад (до 80—90 дБ) при большей стабильности. Сверхрегенеративный режим осуществ­ ляют с помощью дополнительной модуляции емкости Сд с частотой порядка полосы пропускания регенеративного усилителя.

В регенеративных параметрических усилителях при большом уси­ лении основные характеристики: коэффициент передачи по мощности

иполоса пропускания —существенно зависят от стабильности входного

ивыходного полного сопротивлений усилителя. Для стабилизации этих

128

сопротивлений в диапазоне СВЧ применяют невзаимные развязываю­ щие устройства —вентили и циркуляторы. Кроме того, использование вентилей и циркуляторов в одноконтурных параметрических усилите­ лях позволяет отделить энергию сигнала, поступающего в усилитель, от энергии усиленного сигнала. Рассмотрим, как влияет циркулятор

усилителя отражательного типа.

Предположим, что циркулятор является идеальным, т. е. энергия передается без потерь в направлении, указанном на рисунке, а в об­

формул (4.28), (4.29) и (4.36), (4.37), усиление в схеме с циркулятором

получается примерно в 4 раза выше, а произведение У КрН в два раза больше, чем в схеме «на проход»; поэтому схему включения па­ раметрических усилителей «на отражение» применяют чаще.

Шумовые свойства регенеративных ППУ

Основными составляющими шума в параметрических усилителях являются тепловой шум сопротивления источника сигнала, нагрузки, потерь в схеме, шум р-п перехода параметрического диода и шум гене­ ратора накачки. Шум закрытого р-п перехода параметрического диода складывается из: дробового, который вызывается флюктуациями об' ратного тока; избыточного, обусловленного флюктуациями концент*