книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

рации зарядов на поверхности полупроводника, утечкой и канальным эффектом; и теплового, возникаю щего из-за наличия активного сопро­ тивления Гд.

Для современных параметрических диодов в области СВЧ наибо­ лее интенсивным оказывается тепловой шум запертого р-п перехода, поэтому обычно только его учитывают в инженерных расчетах пара­ метрических усилителей СВЧ.

Как показывают теоретические исследования, на спектр флюкту­ аций вблизи частоты усиливаемого сигнала существенно влияют спект­ ральные составляющие параметрических флюктуаций, возникающих из-за шума генератора накачки и нестабильностей схемы, на частотах

проектировании усилителя все добавочные источники шума могут быть устранены и может быть реализована чувствительность, определяемая только тепловым шумом элементов цепей параметрического усилителя.

На рис. 4.10 приведена эквивалентная шумовая схема двухкон­ турного параметрического усилителя с нагрузкой в сигнальном кош туре. В этой схеме генераторы тока / ш1, / ш,а, / Шп п /ш м учитывают шум источника сигнала, сигнального контура, нагрузки и холостого контура соответственно.

В холостом контуре действует собственный шум, квадрат эффектив­

абсолютная температура и проводимость холостого контура соответ­ ственно; Пш — эффективная полоса шума.

Шум холостого контура подвергается в усилителе параметриче­ скому преобразованию, в результате которого через сигнальный кон­ тур протекает шумовой ток.

Из формулы (4.7) следует, что амплитуда составляющей тока /дс частоты сигнала, обусловленная напряжением на холостом контуре,

Тогда квадрат эффективного значения тока / шнз на основании (4.11), (4.38) и (4.39) может быть записан в виде

130

Коэффициент шума, по определению, равен

где Т0 = 290 К.

Подставляя выражения (4.29), (4.41) и (4.42) в формулу для коэффи­ циента шума, получаем

откуда выражение для эффективной шумовой температуры имеет сле­ дующий вид:

Для того чтобы усилитель обладал малым значением коэффициента шума, в схеме усилителя должны быть обеспечены соотношения

81 » 8 ,а и g i » £„■

Влияние шума нагрузки можно исключить, если разделить ее и ре­ генерируемый контур с помощью ферритового вентиля или циркуля-

Дальнейшее снижение уровня шума в двухконтурных параметри­ ческих усилителях может быть осуществлено за счет оптимального вы­ бора соотношения между частотами «ц и (о3. Действительно, при боль­ шом усилении, когда gx ^ g —£,<ь выражение (4.45) можно записать в виде

от А при различных значениях параметра М, характеризующего ка­ чество полупроводникового диода.

При фиксированной величине Т л/Т0 значение Л опт, дающее мини­ мум функции (4.48), может быть определено по формуле

Aonr^ ] / W T \ - l

на основании которой построен график, приведенный на рис. 4.12. Подставляя выражение для Лопт в формулу (4.48), находим минималь­ ное значение коэффициента шума

Тогда выражение для минимального значения шумовой температуры можно записать в виде

Из формул (4.49) и (4.50) следует, что при увеличении значения М = = ©кр/©1 значения NhiBU и 7’,,, мш, уменьшаются. Однако в коротко­ волновой части сантиметрового диапазона обеспечить высокие значе­ ния М и А становится трудно. Это связано с ухудшением свойств диода и возрастанием стоимости генераторов накачки при увеличении ча­ стоты. В таких случаях для получения минимального значения коэф­ фициента шума применяют охлажденную нагрузку в холостом кон­

туре, при которой уменьшается величина /цж3. Действительно, на

132

основании формул (4.38) и (4.39) при г.,, = гд + г„3 для этого случая получаем

ляющей /шкз можно пренебречь. Практически реализовать охлажден­ ную нагрузку можно в виде рупорной антенны, направленной в зенит, на которую нагружается холостой контур, при этом Тн3 fa 10 К.

В случаях, если двухконтурный параметрический усилитель ис­ пользуется в режиме преобразования «вниз» с усилением, анализ, аналогичный приведенному, показывает, что коэффициент шума будет равен

лят получить минимальное значение коэффициента шума. На рис. 4.13 приведена схема включения такого параметрического усилителя с охлажденной нагрузкой в виде рупорной антенны, направленной в зенит, которая подключается к холостому контуру через циркулятор.

Коэффициент шума одноконтурного параметрического усилителя, работающего в синхронном режиме, может быть получен на основании соотношения (4.45), в котором необходимо отбросить члены, обуслов­ ленные шумом холостого контура. Тогда

Вбигармоническом режиме, когда имеются две составляющие тока

всигнальном контуре, которые могут быть разделены на выходе усили­ теля, выражения для коэффициента шума при разных вариантах вы­ полнения схемы оказываются различными [2].

Использование ферритовых вентилей и циркуляторов и в этом слу­ чае позволяет исключить шум нагрузки, а охлаждение параметриче­ ского контура существенно снижает собственный шум полупроводни­ кового диода.

Конструктивные варианты параметрических усилителей

Схемы и конструкции параметрических усилителей, в которых мо­ гут быть осуществлены рассмотренные режимы работы, зависят от диапазона волн. В метровом диапазоне волн в усилителях исполь­ зуют колебательные системы с сосредоточенными постоянными, в де­ циметровом и сантиметровом диапазонах волн, в которых параметри­

133

ческие усилители нашли основное применение, колебательными систе­ мами являются объемные резонаторы, отрезки волноводов, коакси­

альных и полосковых линий.

Возможны различные способы подачи колебания от генератора на­ качки. Один из способов состоит в непосредственном подключении генератора накачки к диоду. В этом случае в конструкции, схема ко­ торой показана на рис. 4.14, предусмотрено расположение диода е пуч­ ностях напряженности электрических полей сигнала и накачки. Уси­ литель состоит из двух волноводных объемных резонаторов, настраи­ ваемых короткозамыкающими поршнями соответственно на частоту

сигнала и на частоту накачки; между обоими резонаторами имеется

•коаксиальное соединение, в котором помещен полупроводниковый диод.

Другой способ, позволяющий реализовать более компактные кон­ струкции параметрических усилителей, связан с использованием не­ скольких типов колебаний объемного резонатора. Например, в прямо­ угольном резонаторе колебание типа Н103(ТЕ103) используется на ча­

стоте генератора накачки, колебание H 301(TE30i) — на частоте сиг­ нала, а колебание Н101(ТЕ101) — на разностной частоте. В том месте, где наблюдается одновременно пучность напряженности электрического поля указанных типов колебаний, включают диод. Схема такой кон­ струкции показана на рис. 4.15. Колебания требуемых типов в резо­ наторе возбуждают обычными способами: с помощью штырей или пе­ тель. Резонаторы настраивают поршнями и дополнительными шты­ рями.

Рассмотренные способы включения полупроводникового диода на­ шли практическое применение в многочисленных конструкциях пара­ метрических усилителей, предназначенных для работы на различных частотах сантиметрового и дециметрового диапазонов. Эти конструкции имеют между собой много общего. Типичная резонаторная камера па­ раметрических усилителей изображена на рис. 4.16. Она представляет собой крестообразное сочленение прямоугольных волноводов / и 2,

вцентре которого расположен отрезок коаксиальной линии 3, в разрыв внутренней жилы которой помещен в специальном держателе диод 4. Сигнальный контур, образованный отрезком волновода 1, настраивают

врезонанс диафрагмами 5 и штырями 6. Контур накачки образован отрезком волновода 2, который является предельным для частоты сиг­ нала. Этот контур настраивают на частоту накачки поршнем 7. Коак-

134

спальная линия 3 с поршнем 8 эквивалентна некоторой индуктивности. С помощью этой индуктивности обеспечивают последовательный ре­ зонанс в контуре, образуемом начальной емкостью диода, индуктив­ ностью вводов диода и сопротивлением его потерь. При последователь­ ном резонансе в таком контуре значительно ослабляется шунтирующее

действие емкости патрона диода. Напряжение запирания подается на диод через проходной конденсатор 9. В коаксиальную линию 3 вклю­ чен фильтр 10, шунтирующий ее по частоте накачки. В зависимости от типа усилителя конструкция сигнального контура несколько видо­

изменяется. При разработке усилителя отражательного типа один из фланцев волновода / закрывают заглушкой с подстроечным поршнем.

На рис. 4.17 приведена более компактная конструкция двухкон­ турного регенеративного параметрического усилителя отражательного типа [41. В этой конструкции применен сигнальный резонатор коак­ сиального типа /, который настраивается емкостными винтами 2. При­ менение трех винтов, расположенных на расстоянии А./4, позволяет

135

кроме настройки резонатора на частоту сигнала регулировать коэффи­ циент передачи усилителя, изменяя свявь резонатора с источником

сигнала и нагрузкой.

По волноводу 3, который является предельным для колебаний сигнала и комбинационной гармоники, к параметрическому диоду 4 подводится колебание от генератора накачки; для обеспечения согла­ сования этого волновода с активным сопротивлением диода гя исполь­ зуют четвертьволновый трансформатор 5. На частоту накачки резо­ натор настраивают подстроечным поршнем 6. Для предотвращения проникновения мощности накачки в коаксиальную линию включен развязывающий фильтр 7, выполненный в виде короткозамкнутой ко­ нической линии. Колебания на частоте сигнала и колебания комби­ национной частоты проходят через этот фильтр, так как он для них

представляет некоторую часть об­ щей реактивности сигнального и комбинационного контуров. В ка­ честве резонатора комбинационной частоты используют замкнутый от­ резок прямоугольного волновода 8, размеры которого выбраны так, что он является предельным для коле­

бания сигнала, поэтому настройка его с помощью индуктивного винта 9 не влияет на настройку сигнального резонатора. Попаданию коле­ бания комбинационной гармоники в резонатор сигнала и нагрузку препятствует развязывающий фильтр 10, длина короткозамкнутой конической линии которого равна четверти длины волны комбинацион­ ной гармоники. Таким образом, в такой конструкции может быть до­ стигнута полная развязка регулировок.

В рассмотренных примерах конструктивного выполнения парамет­ рических усилителей развязка колебаний на различных частотах до­ стигалась с помощью фильтров. В двухконтурных усилителях эффек­ тивным способом изоляции колебания комбинационной гармоники яв­ ляется также применение двух параметрических д1юдов, включенных разнополярно по балансной схеме. При практической реализации такой схемы диоды включают в волноводную секцию (рис. 4.18), к которой с одной стороны подводят мощность сигнала, а с другой —мощность накачки. Контур холостой частоты в таком усилителе образован толь­ ко элементами диодов. При симметрии схемы точки а и а' для холостой частоты эквипотенциальны и колебания комбинационной гармоники во внешнюю цепь не проходят. Особенно хорошо такая схема реализуется в интегральных конструкциях параметрических усилителей.

Одним из недостатков рассмотренных параметрических усилителей является сравнительно узкая полоса частот, в которой осуществляется эффективное усиление. Обычно она не превышает 3% от частоты не­ сущей. Значительно большие полосы (до 25—30% от частоты несущей) могут быть получены в параметрических усилителях бегущей волны (6]. В простейшем виде такие усилители представляют собой длинную линию, в которой погонная емкость или индуктивность во времени и по координате изменяется по гармоническому закону.

13В

Наряду с рассмотренными однокаскадными параметрическими усилителями на практике находят применение двух- и даже трехка­ скадные параметрические усилители. Такое каскадирование позво­ ляет снизить усиление каждого каскада, расширить полосу про­ пускания и повысить устойчивость усилителя в целом. Наибольшее распространение получили многокаскадные усилители при включении каждого каскада через циркулятор «на отражение». Как уже отмеча­ лось в § 4.1, такие устройства обладают повышенной надежностью.

4.3.Усилители на туннельных диодах

Врегенеративных усилителях на туннельных диодах (ТД) уси­ ление сигнала достигается за счет вносимого в колебательную систему (контур, резонатор) отрицательного сопротивления или отрицатель­ ного затухания. Отрицательное сопротивление обусловлено особен­ ностью статической вольт-амперной характеристики диодов, имеющей

при определенных напряжениях падающий участок. Это связано с особым механизмом преодоления носителями тока электронно-дыроч­ ного перехода, называемым «туннельным эффектом» [7, 81. ТД как ак­ тивные элементы усилителей обладают рядом положительных качеств — безынерционностью, малым уровнем потребляемой энергии, большим сроком службы; они способны работать в широком диапазоне темпе­ ратур и устойчивы к радиоактивным облучениям. В настоящее время их изготавливают из сильнолегированных полупроводниковых мате­ риалов, в которых обеспечивают большую концентрацию электронов и дырок (1019 — 1020 см-3), узкий электронно-дырочный переход (по­ рядка 0,01 мкм) и высокую напряженность внутреннего электрического

алюминий — для диодов с р-проводимостью, фосфор и мышьяк — для диодов с «-проводимостью.

I

Основные характеристики и режим работы диода

Рассмотрим статическую вольт-амперную характеристику (ВАХ) и эквивалентную схему ТД, отображающие электрические свойства диода.

Статическая ВАХ диода имеет ярко выраженный нелинейный ха­ рактер (рис. 4.19, а). В малошумящих усилителях используется па­ дающий участок характеристики, на котором внутренняя дифферен­ циальная проводимость электронно-дырочного перехода отрицательна

(8Рп < 0).

Вследствие изменения крутизны характеристики от точки к точке рассматриваемого падающего участка проводимость диода gI>n не со-

137