книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

также являться точки 1 и 2. Последнее соответствует, в частности, работе диода в переключающих устройствах. Объединяя условия (4.84), получаем

Следовательно, для обеспечения устойчивости рабочей точки в ре­ жиме усиления необходимо уменьшать сопротивление источника пи­ тания гсм и индуктивность цепи питания LCM, а также увеличивать блокировочную емкость Ссм(Ссм = Сбл, см. рис. 4.21)

Определим теперь условия отсутствия паразитных высокочастот­ ных колебаний. Будем полагать, что внешняя нагрузка диода ZBI1, определяемая параметрами схемы усилителя, представляет собой по­ следовательное соединение индуктивности LBH и сопротивления гвн. При этом пренебрежем емкостью нагрузки диода Ск.

Очевидно условия устойчивости, т. е. условия отсутствия паразит­ ных колебаний, можно представить на основании (4.85) в виде

В ряде случаев оказываются полезными предварительные сведения об устойчивости короткозамкнутого диода, применяемого в усилитель­ ных схемах; это соответствует также практическому случаю работы диода с внешней нагрузкой, при котором диод подключается к кон­ туру с большой емкостью нагрузки (Свн > СРп). Для обеспечения устойчивости необходимо в этом случае выполнение условий

(4.87)

которые при реальных параметрах не всегда выполняются. Поэтому диоды в режиме короткого замыкания, как правило, неустойчивы.

Нетрудно также видеть, что в режиме холостого хода (гвн -> оо)

диод всегда неустойчив, поскольку не выполняется условие гх <

<\Rpn\ (4.87).

В заключение отметим, что раздельное решение вопроса об устой­ чивости упрощенных схем на низкой частоте ( цёпь питания) и на вы­ сокой частоте (нагрузка усилителя) не всегда обеспечивает устойчи­ вость реальной схемы в целом. Однако такое рассмотрение позволяет1

выявить необходимые условия, обеспечивающие стабильную работу усилителя.

В настоящее время с помощью УТД можно получить усиление Кр ж 15 Ч- 20 дБ, полосу пропускания П » (10 -f- 15) % /0, где До­

резонансная частота, и коэффициент шума N = 4,5 -f- 7 дБ.

150

Для перехода отдельной частицы с энергетического уровня $h на уровень (*/,+ ! (с нижнего на верхний) ей надо сообщить порцию энер­ гии, а при переходе частицы с уровня Шк+ \ на уровень Sh (с верхнего на нижний) она отдает порцию энергии. Связь между изменением внут­ ренней энергии отдельной частицы и частотой поглощаемой или излу­ чаемой ею энергии определяется известным частотным соотношением Бора

где h — 1,05 ■ 10"34 Дж • с — постоянная Планка; / — частота пе­ рехода между двумя уровнями; величину hf принято называть квантом или фотоном энергии.

-£\

N '

JLS

N, \

/V,

-ч

Н

Рис. 4.30

Рассмотрим простейшую квантовую систему, обладающую двумя уровнями энергии и ё 2, населенность которых А/х и N 2 соответст­ венно (рис. 4.30, б). При воздействии внешнего электромагнитного поля с частотой, соответствующей величине — <о\)//г, в системе будут одновременно осуществляться вынужденные переходы одних частиц с уровня <£г на уровень # 2, а других частиц, наоборот, — с уров­ ня Ш2 на уровень Установлено, что процесс квантовых переходов частиц не детерминирован и вероятность переходов отдельных частиц снизу вверх w12 и сверху вниз w21 в единицу времени одинакова. По­ этому система с распределением частиц (4.88) является поглощающей; в ней преобладает поглощение энергии внешнего поля веществом над

В результате поглощения внешнее поле ослабляется, а внутренняя энергия вещества возрастает [12]. Мощность, поглощаемая веществом при этом взаимодействии, равна

где w — вероятность вынужденных или индуцированных переходов частиц в единицу времени (w = w2l = w12), равная w = АЕ2(ы), причем Е2((о) — плотность энергии поля (в узком интервале частот); А — коэффициент пропорциональности; АN = Nk — N 2 — избыток частиц на нижнем уровне (число активных частиц).

152

Следовательно, изменение мощности Рт пропорционально плотно­ сти энергии внешнего поля и числу активных частиц, причем величина AN возрастает с понижением температуры вещества, называемого ра­ бочим.

Для получения излучающей системы, в которой энергия рабочего вещества будет передаваться внешнему полю, необходимо нарушить состояние термодинамического равновесия, т. е. обеспечить в системе населенность уровней, при которой Л/2 > N1. Этот процесс возбуж­ дения частиц вещества называют инверсией населенностей уровней. При воздействии полезным сигналом на неравновесную систему воз­ бужденные частицы вещества будут осуществлять вынужденные, ин­ дуцированные переходы на нижний уровень, отдавая кванты энергии, которые преобразуются в электромагнитную энергию сигнала. Уве­ личение энергии поля сигнала также характеризуется выражением (4.90), в котором теперь мощность Рт отрицательна, поскольку в этом случае величина AN < 0, что и характеризует передачу энергии полю сигнала.

В квантовых парамагнитных усилителях в качестве рабочего ак­ тивного вещества используют парамагнитные кристаллы. Они пред­ ставляют собой диамагнитные кристаллы с небольшой примесью па­ рамагнитных ионов, обладающих положительной магнитной воспри­ имчивостью. Наиболее часто находят применение в усилителях кристал­ лы рубина с примесью ионов хрома. В обычных условиях направление магнитных моментов ионов имеет случайный характер; ионы рас­ полагаются на одном или двух энергетических уровнях, а энергия ионов не зависит от ориентации их магнитного момента в простран­ стве. Положение меняется при помещении кристалла в поле постоян­ ного магнита. В этом случае состояние парамагнитных ионов (совокуп­ ности парамагнитных микросистем) будет характеризоваться энергией ориентации, которая принимает дискретные значения, пропорцио­ нальные постоянной величине, называемой магнетоном Бора (р„ = = 0,92 • Ю-20 эрг/Э). Она равна

где рл — проекция вектора магнитного момента на направление маг­ нитного поля постоянного магнита; т — магнитное квантовое число, величина которого связана с эффективным спином иона S.

При помещении кристалла в поле постоянного магнита каждый уровень расщепляется на несколько подуровней (эффект Зеемана), причем число дискретных значений энергии ориентации равно 25 -f- -f- 1. Поскольку величина магнитного квантового числа может прини­ мать любое значение из ряда чисел S, 5 — 1, 5 — 2, ..., то, напри­ мер, при 5 = 3/2 получаем четыре подуровня (рис. 4.30, в).

Особенностью образуемой квантовой системы является зависимость интервалов между подуровнями от напряженности магнитного поля. Разность энергий, соответствующая двум соседним подуровням энер­

153

Эту зависимость используют на практике для подбора частот перехода, лежащих в диапазоне сантиметровых и миллиметровых воли.

Следует отметить, что состояние элементарных частиц в любой квантовой системе не определяется строго одной линией и переход меж­ ду ними не соответствует одной какой-либо частоте. В действительности энергетические уровни несколько размыты (рис. 4.30, б); их уширение

Полоса, в которой осуществляются квантовые переходы, определяет наибольшую возможную полосу при усилении реальных сигналов с определенным спектром частот.

Важно отметить, что в квантовых системах возбужденные частицы могут самопроизвольно переходить на низшие энергетические уровни, излучая при этом кванты энергии. Вероятность таких случайных пе­ реходов, не зависящих от внешнего поля, обратно пропорциональна времени пребывания частиц в возбужденном состоянии. В результате их существования возникает некогерентное полю излучение, называе­ мое спонтанным, которое является в основном источником внутреннего флюктуационного шума.

Квантовая система с инверсной населенностью энергетических уровней (активная среда) после прекращения воздействия внешнего поля стремится восстановить нарушенное термодинамическое равно­ весие. Этот процесс происходит по экспоненциальному закону и на­ зывается релаксационным; он обусловлен свойствами рабочего вещества и взаимодействием его с окружающей средой. Постоянная времени, характеризующая скорость его протекания, называется временем релаксации. Чтобы система не смогла самостоятельно вернуться в ис­ ходное состояние термодинамического равновесия за малый промежуток времени, постоянная времени релаксации должна быть достаточно большой. Очевидно, снижение температуры активного вещества уве­ личивает время релаксации.

В заключение отметим, что методы возбуждения частиц рабочего вещества различны. В парамагнитных усилителях обычно используют трехуровневый метод, предложенный академиками Басовым Н. Г. и Прохоровым А. М. Для его осуществления система должна распола­ гать тремя и более энергетическими уровнями. В трехуровневой си­ стеме (рис. 4.31, а) под действием высокочастотного генератора накачки на частоте квантового перехода / 31 = ($3 — gj/h насыщается верх­ ний уровень за счет уменьшения числа частиц на нижнем уровне. Если релаксационные процессы будут происходить между уровнями

# 3 и чаще, чем между уровнями $ 2 и ё\, то на среднем уровне будут накапливаться частицы. Тогда при избытке активных частиц на уров­

возможном случае, при котором релаксационные процессы происходят

154

перехода / 32 = (<Е3 — Ш^/h (рис. 4.31, в). Этот метод обеспечивает непрерывное пополнение возбужденными частицами верхнего уровня $з, а следовательно, непрерывное и устойчивое усиление сигнала.

Нетрудно догадаться, что в двухуровневой системе (см. рис. 4.30, б) использование метода накачки вспомогательным генератором затруд­ нительно. При равных частотах генераторов накачки и сигнала не­ обходимо чередование процессов накачки и усиления, поскольку их трудно совместить во времени. С другой стороны, число активных ча­ стиц на верхнем уровне будет уменьшаться как при каждом акте воз­ действия сигнала, так и из-за релаксационных процессов. Очевидно,

Рис. 4.31

при длительном воздействии накачки и небольшом времени релакса­ ции может произойти выравнивание населенностей уровней и усиление сигнала окажется невозможным; процесс выравнивания уровней (AN —

— 0) называют насыщением квантового перехода.

Устройство парамагнитных усилителей

Первоначально рассмотрим резонаторный усилитель. К основным элементам такого усилителя относятся активное парамагнитное ве­ щество и резонансная система; как и другие регенеративные усилите­ ли, они выполняются по схемам проходного и отражательного типов [13]. На рис. 4.32 изображена примерная конструкция отражатель­ ного усилителя. В ней объемный резонатор вместе с парамагнитным кристаллом помещен в сосуд Дьюара с жидким гелием (Т = 1,2 К), давление в котором составляет 10—20 мм рт. ст. (В системе Си 1 мм рт. ст. = 133, 322 Па). Для уменьшения расхода жидкого гелия этот сосуд окружен вторым сосудом с жидким азотом (Т = 77 К), служащим .епловым экраном. В целях высокой стабильности усиле­ ния резонатор герметизируют, изолируя его от жидкого гелия. По­ стоянное магнитное поле большой напряженности ( # « 2000 Э) соз­ дается магнитом N — 5, служащим для расщепления энергетических уровней. В ряде случаев магнит помещают внутрь термостата, что уменьшает его размеры и вес. Более радикальным решением является применение электромагнитов со сверхпроводящими обмотками, по­ требляющих незначительную энергию. Усиливаемый сигнал от антен­ ны поступает по короткому волноводному тракту через циркулятор

15»

в двухчастотный резонатор. По другому волноводу к нему же поступает энергия накачки от генератора, которым обычно служит клистронный

генератор (Рн <1 50 мВт).

Резонатор на частоте сигнала может быть выполнен в виде четверть­ волновой полосковой линии, а на частоте накачки —в виде отрезка прямоугольного волновода, стенками которого является наружная пластина полосковой линии. В резонаторе обеспечивается многократ­ ное отражение сигнала, что увеличивает время его взаи­ модействия с активной сре­

дой.

В ряде случаев применяют системы из двух и более свя­ занных между собой резона­ торов с помещением кристал­ ла во все резонаторы. Это по­ зволяет расширить полосу пропускания усилителя и, следовательно, увеличить его эффективность; при усилении примерно в 20 дБ его полоса пропускания увеличивается при этом с 2—4 до 15—20 дБ.

Основным параметром усилителя является отрицательная магнит­

где Н — средняя амплитуда высокочастотного магнитного поля в ре­

вносимые соответствующими элементами эквивалентной схемы (см. рис. 4.22). Поэтому

где d — затухание, вносимое подводящей линией передачи; dp —соб­ ственное затухание резонатора; dm — отрицательное магнитное зату­ хание.

Затухание резонатора составляет обычно dp ж 10~4 —■ 10~5, за­

IS6

Полоса пропускания усилителя определяется как

II = f0da,

где = d 4- dfi -f dm — полное затухание резонатора с учетом за­ тухания, вносимого активным элементом.

Шумовые свойства усилителя определяются спонтанным излуче­ нием и особ нно потерями в ст-нках резонатора; шумовая темпе­ ратура усилителя составляет несколько градусов (Тт -да 4 ч- 6 К). Однако шумовая температура приемника с малошумящим усилителем оказывается выше из-за шума антенны, потерь сигнала в циркуляторе и других элементах (7\,р «

^20 ч- 30 К).

где Р0 — мощность падающей волны на входе (х — 0); k(f) — коэффи­ циент поглощения на частоте/; в активной среде k(J) — отрицательная величина, имеющая размерность см'1.

Параметр k(j) характеризует усилительные свойства активного вещества (квантовое усиление). При прохождении колебанием расето­ ння х == ilk(f) его интенсивность возрастает в 2,7 раза. Расчеты по­ казывают, что для увеличения интенсивности сигнала па волне А = = 3 см, например, в 10 раз при реальных значениях k{j) = 3 • 10~2 см-1 (парамагнитный кристалл при гелиевых температурах) длина кристал­ ла должна составлять L — 3 м, что трудно осуществимо. В целях уве­ личения времени взаимодействия сигнала с веществом в КУБВ приме-1 няют замедляющие системы, например гребенчатую структуру. Т жая c iстема обеспечивает замедление порядка 100, определяемое отноше­ нием скорости света к групповой скорости колебаний, распространя­ ющихся в системе.

При конструировании усилителя кристалл располагают вдоль гре­ бенчатой структуры у основания стержней в пучности магнитного поля, интенсивность которого уменьшается к концам стержней. Край­

в виде,бегущих волн вдоль гребенчатой структуры. У основания струк­ туры располагают также ферритовые элементы, которые препятствуют-

157

образованию стоячих волн, возникающих из-за отражения энергии от неоднородной структуры и особенно от ее конца. На внешних пло­ скостях волновода, по которому подводится энергия накачки к кристал­ лу, размещают постоянные магниты, а всю конструкцию помещают в криостат.

Применение волноводных систем вместо объемных резонаторов устраняет серьезный недостаток регенеративных КПУ, обладающих узкой полосой пропускания. Полоса пропускания КУБ В определяется

циркуляторов, что существенно упрощает их конструкцию. Они обес­ печивают в среднем усиление Кр ж 20 ~ 30 дБ при полосе пропуска­ ния 15—25 МГц. К существенным недостаткам КУБВ относятся боль­ шие размеры гребенчатой структуры, а следовательно, и кристалла; это приводит к необходимости увеличивать мощность накачки, размеры и вес постоянных магнитов, расход жидкого гелия. Они наиболее пер­ спективны в диапазоне миллиметровых волн, поскольку с укорочением длины волны уменьшаются размеры волновода и парамагнитного кри­ сталла.

Список литературы3120987*54

4.Б о б р о в И. Н. Параметрические усилители и преобразователи СВЧ. Киев, «Техника», 1969.

5.СВЧ полупроводниковые приборы и их применение. Под ред. Т. Уотсона. Пер. с англ. Под ред. В. С. Эткина. М., «Мир», 1972.

S.Ф и л а т о в К. В. Введение в инженерную теорию параметрического уси­ ления. М. «Сов. радио», 1971.

10.«СВЧ устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчет». Под ред. И. В. Мальского и Б. В. Сестрорецкого. М., «Сов. радио», 1969. Авт.: Л. А. Биргер, И. А. Волошин, И. П. Боровиков и др.

11.«Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия». М., «Советская энци­ клопедия», 1969.

12.Д ь я к о в В. А. Введение в квантовую электронику. М., «Энергия», 4969.

13.С и г м е н А. Мазеры. Пер. с англ. Под ред. Т. А. Шмаонова. М., «Мир», 4968.

158

5. Усилители промежуточной частоты

5.1. Общие сведения

Усилители промежуточной частоты работают на фиксированной частоте (промежуточной частоте). Фиксированная резонансная частота позволяет упростить их конструкцию и применить сложные резонанс­ ные системы, которые создают требуемую форму частотной характе­ ристики. В большинстве случаев частотная характеристика должна приближаться к идеальной (прямоугольной). УПЧ усиливают прини­ маемый сигнал до величины, необходимой для нормальной работы де­ тектора. Они осуществляют основное усиление высокочастотного сиг­ нала.

УПЧ должен выполнять следующее:

—усиливать принимаемый сигнал;

—обеспечивать избирательность по соседнему каналу;

—снижать коэффициент шума приемника сантиметрового диапа­ зона без УРЧ.

Коэффициент усиления по напряжению УПЧ обычно — 102-f- -г- 10й (40—120 дБ) и поэтому число каскадов доходит до десяти.

Полоса пропускания супергетеродинного приемника определяется в основном полосой пропускания УПЧ (полоса пропускания входной цепи и УРЧ шире, чем УПЧ). Поэтому полоса пропускания УПЧ долж­ на быть не меньше полосы спектра частот сигнала, и, следовательно, она зависит от типа сигнала и его модуляции. Если в процессе эксплу­ атации допускают подстройку приемника после его настройки на ча­ стоту принимаемого сигнала, то полосу пропускания усилителя берут равной полосе спектра частот сигнала. В тех случаях, если приемник должен обеспечивать бесподстроечный прием, полосу пропускания усилителя берут больше полосы спектра частот сигнала на величину изменения промежуточной частоты, обусловленную нестабильностью частот гетеродина, передатчика и нестабильностью настройки частоты УПЧ. При наличии в приемнике автоматической подстройки частоты гетеродина полосу пропускания усилителя увеличивают на величину неточности работы этой автоматической подстройки. При широкой полосе пропускания усилителя (более 1 МГц) неточностью работы ав­ томатической подстройки частоты гетеродина обычно пренебрегают.

Полоса пропускания усилителя при приеме с подстройкой или при наличии в приемнике автоматической подстройки частоты гетеродина должна быть не меньше полосы спектра частот сигнала.

Полосы спектров частот некоторых сигналов следующие:

— для телефонии с AM Пс = 6 кГц

— для радиовещания с AM Пс = 9 — 13 кГц и с ЧМ Пс = = 250. кГц;

— для радиолокации импульсной II с = 1 — 10 МГц. ■Промежуточная частота (резонансная частота усилителя) зависит

от типа приемника, и ее значения обычно лежат в пределах от ПО кГц

>59