книги из ГПНТБ / Приемные устройства радиолокационных сигналов конспект лекций

Следует заметить, что по своим свойствам коэффициент моду­ ляции емкости т эквивалентен усилительному качеству лампы

S/2- С.

Реальный параметрический диод на высокой частоте имеет экви­ валентную схему, изображенную на рис. 18. Схема включает в себя емкость Со, индуктивность контактной пружины (ввода) L0, емкость

Рис. 18'

патрона Сп и сопротивление потерь полупроводника Rs ■Воздей­

ствие накачки проявляется в возникновении переменной составля­ ющей емкости р—«-перехода С\. Рассмотренная эквивалентная схема справедлива при длинах волн, много больших размеров диода. Тогда можно считать, что во всем частотном диапазоне использования 'диода параметры Z,0, С„, С„, С, и Rs не зависят от

частоты.

Весьма важным параметром диода, характеризующим его уси­ лительные свойства в диапазоне частот и также шумовые свой­ ства ПУ, является критическая частота

_ _1_

(25)

С» R<

где ”сд — постоянная времени диода.

Параметрический диод обладает хорошими усилительными и шумовыми качествами только в том случае, когда рабочие частоты усилителя (В] и ю2 оказываются значительно меньшими частоты <ок.

Из эквивалентной схемы видно, что диод обладает резонансны­ ми свойствами. Различают частоты собственных последовательно­

где

Сп_

Gtn — Со

Резонансные свойства диодов на СВЧ приводят к существен­ ным ограничениям шйрокополосности ПУ и должны учитываться при расчете характеристик усилителей этого диапазона.

30

2.5. Параметры диодных четырехполюсников

Как было показано выше, в двухчастотных ПУ параметриче­ ский диод, возбужденный колебаниями накачки, можно предста­ вить в виде линейного активного шумящего четырехполюсника с внутренними У- или Z-параметрами.

У-параметры используются, когда диод включается в парал­ лельные резонансные контуры (элементы фильтров, проводимости источника сигнала и нагрузки включены параллельно относитель­ но диода).

Соответственно Z-параметры служат для определения харак­ теристик ПУ при включении диода в последовательные резонанс­ ные контуры. На СВЧ наиболее широко используется последний способ включения.

Таким образом, диодный четырехполюсник (рис. 11) в регене­ ративном ПУ характеризуется входной статической проводимостью

К,J = у a»j С0, крутизной прямой передачи S lt= —-yu)2Cj, выходной проводимостью Kj2= —у'ш2С0 и крутизной обратной передачи

5,2=/<**, С,.

Для нерегенеративного усилителя-преобразователя, в котором спектр преобразованной частоты/,=/„+/с не обращается (рис. 14),

уравнения четырехполюсника записываются так:

/ 4= / « «с,

На основании (7), (27) эквивалентная схема диодного четы­ рехполюсника имеет вид, как показано на рис. 19.

Рис. 19

Для определения Z-параметров диодного четырехполюсника необходимо решить систему уравнений (27) относительно напря­ жений. Тогда

31.

Как видно из (28), параметрический диод для каждой из ча­ стот представляет собой последовательное соединение двух кон­ денсаторов С'ои С'ь равных

с ; = с 0( 1- а 2); с ; =* . (29)

Поэтому эквивалентную схему диодного четырехполюсника мож­ но представить в виде рис. 20,а или, учитывая фильтрующие свой­ ства цепей комбинационных частот ПУ, в виде рис. 20,6. Здесь Ф, и Ф2 — идеальные фильтры, настроенные на частоты fі и f2.

Рис. 20

Эквивалентная схема и уравнения четырехполюсника через Z-параметры для нерегенеративного усилителя-преобразователя получаются из (27).

На высоких частотах из-за трансформирующего действия па­ разитных реактивных элементов индуктивности ввода LQ и емкости патрона Сп (рис. 18) параметры эквивалентной схемы диодного че­ тырехполюсника оказываются в сложной зависимости от частоты. При этом за счет воздействия накачки и протекания токов комбина­ ционных частот по общим элементам эквивалентной схемы диода (Rs , L0, Сп) возникает параметрическое взаимодействие внутри

диода и параметр, характеризующий усилительные свойства диода, может значительно уменьшиться.

«на проход»

Принципиальная схема параметрического усилителя на элемен­ тах с сосредоточенными параметрами показана на рис. 21.

32

Усилитель состоит из двух контуров, которые связаны нели­ нейной емкостью параметрического диода Д\. Сигнальный контур образован индуктивностью Lu емкостью С0і и подключенной к нему входной реактивной проводимостью диода на частоте, /і. Контур шунтируется проводимостями источника сигнала и нагруз­ ки, подключенными к входным и выходным клеммам, резонансной проводимостью и проводимостью диода.

Параметрические регенеративные усилители, у которых источ­ ник сигнала и нагрузка подключены к одним клеммам, называ­ ются усилителями проходного типа (режим работы «на проход»).

Контур холостой частоты состоит из индуктивности L2, .реак­ тивной проводимости диода на частоте /2 , емкости цепи накачки и проводимости потерь в индуктивности и диоде.

Сн, Lн, Д, — контур накачки.

С учетом свойств диодного четырехполюсника (рис. 20,6) эк­ вивалентная схема параметрического усилителя примет вид, как показано на рис. 17, где обозначено:

gc ;gn~ проводимости источника сигнала и нагрузки, пересчи­ танные в сигнальный контур;

gm, go2 резонансные проводимости ненагруженных. контуров.

Так как проводимость источника сигнала и нагрузка включены в общий контур на частоте /ь то для определения качественных показателей ПУ необходимо найти входное сопротивление (ПУ) в сечении /—/ схемы рис. 22. На основании общей теории четырех­ полюсника можно записать

Рис. 22

С учетом этого величина входной проводимости будет равна

При точной настройке усилителя, когда имееу, место резонанс на сигнальной и холостой частотах, входная проводимость диод-

ного четырехполюсника с учетом влияния нагрузки оказывается вещественной и равна

Как и следовало ожидать, в регенеративном ПУ из контура хо­ лостой частоты в сигнальный через диод вносится отрицательная проводимость

При этом условия резонанса в ПУ имеют вид

"1j = 0;

J

и эквивалентная схема рис. 22 преобразуется в схему рис. 23.

Рис. 23

При помощи эквивалентной схемы рис, 23 можно определить основные качественные показатели ПУ: коэффициент передачи по номинальной мощности, полосу пропускания и коэффициент шума.

6) Коэффициент передачи по номинальной мощности

Величина коэффициента передачи ПУ может быть найдена в виде отношения мощности сигнала в нагрузке к номинальной мощ­ ности источника:

(34)

Учитывая, что

Рв ы х — G j g„\ Par— 4Sc

можно определить напряжение на сигнальном контуре через пол­ ный ток источника:

34

Тогда, используя (34), (35), получи*

где

а

гg1

— параметр регенерации.

При ß-> 1 коэффициент усиления неограниченновозрастает и режим работы ПУ делается неустойчивым. Регенеративный усили­ тель склонен к самовозбуждению.

Для предотвращения возбуждения в практических схемах ПУ применяются следующие меры.

1. Величина Кр выбирается равной 15—20 дБ, что соответст­ вует параметру регенерации 0,7—0,9.

Подбор величины /<p(ß) производится за счет изменения про­ водимостей источника сигнала и нагрузки, пересчитанных к диоду. Для этой цели используются трансформирующие свойства конту­ ра, а на сверхвысоких частотах применяются ступенчатые транс­ форматоры сопротивлений (волноводные, коаксиальные, волно- водно-коаксиальные и т. д.).

2.Принимаются все меры по стабилизации отрицательной про­ водимости путем стабилизации уровня накачки.

3.Для поддержания постоянства величин проводимостей источ­ ника сигнала и нагрузки в схему усилителя наводят невзаимные ферритовые вентили или циркуляторы.

Необходимая величина полной активной проводимости g\t обе­ спечивающая при выбранных режиме диода и параметрах холосто­ го контура заданное усиление Кр)При произвольных значениях про­ водимостей источника сигнала и нагрузки подбирается при помощи трансформирующих свойств сигнального контура либо при помощи специальных трансформаторов импедансов.

в) Свойства параметрических усилителей в режиме <на отражение» с циркулятором

Принципиальная схема ПУ полоскового типа показана на рис. 24.

35

Сигнальный фильтр, образованный диодным контуром (диод Д і и короткозамкнутый шлейфу) и разомкнутым полосковым шлейфом р2 , подключен через режекторные фильтры разностной частоты и. частоты накачки и четырехплечий циркулятор к источнику сигнала и к нагрузке. Контур разностной частоты состоит из диода и шлей­ фа Рі и подстраивается в небольших пределах конденсатором С,, выполненным конструктивно в виде диска, расположенного на ди­ электрическом винте вблизи корпуса диода (рис, 25). Колебания

накачки поступают на диод через аттенюатор по волноводу, кото­ рый согласуется с полосковой линией при помощи трех емкостных штырей.

При точной настройке усилителя сигнал, пройдя плечи J, 2 цир­ кулятора, поступает на параметрический усилитель, где он, отра­ жаясь от отрицательной проводимости, поступает через третье пле­ чо в нагрузку. Шумы нагрузки поступают в плечо 4 и рассеиваются

иа поглотителе /?.

Такой режим работы ПУ называется режимом работы «на от­ ражение».

Для повышения стабильности работы регенеративного усилите­ ля диодный контур часто термостатирует по верхнему температур­ ному пределу около 60°С.

36

Независимо от изменения полных проводимостей источника и нагрузки ПУ будет всегда согласован в направлении к циркулято­ ру. Регенеративный ПУ превращается в усилитель с положитель­ ными входной и выходной проводимостями.

г) Полоса пропускания и эффективность двухконтурного регенеративного ПУ

Полоса пропускания регенеративного ПУ определяется видом амплитудно-частотных характеристик резонаторов сигнальной и холостой частоты. При одногорбых АЧХ полоса пропускания для произвольных обобщенных расстроек контуров ПУ определяется из следующего соотношения:

где

Кр — резонансный коэффициент усиления по мощности;

а,,а2 — обобщенные расстройки контуров на сигнальной и холо­ стой частотах, равные

(41)

Qi; Q2 — добротности сигнального и холостого контуров.

Учитывая то обстоятельство, что знак расстройки в сигнальном и холостом контуре противоположный, на основании (55) получаем

Полагая, что схема ПУ составлена из параллельных контуров, и используя приближение высокой добротности, можно записать

У п ^ і т У і + У ^ ^ і О + у ' г т ) , Q i W i O + y ' a , ) ;

38

можно найти обобщенную расстройку а,, а из (41)соответствующую ей полосу пропускания ПУ:

или

(1—Р —*і А)а+ «? (\+ky

= 2 (1 - Р )а.

1 + а * А2

Из (42) получаем следующее биквадратное уравнение для а,:

k*a\ - [(H-Ä)2 t 2 Ң\ —ß)—2Ä2(1—ß)2) а2 - (1 —І3)2=0.

G учетом того, что в подкоренном выражении для решения а20 всегда соблюдается соотношение

приближенное положительное решение (45) имеет вид

_________ ü= »!_________

10 — (l+ft)»+V* (l-ß)+2é2 (1 — Р)2

цз (44) н (41) найдем полосу пропускания ПУ:

Ппу — _________Л(і-Р)_______

Q il/ (l+ * )a+2Ä.(l-ß)+2ft2 (1-р)*

При больших коэффициентах усиления ПУ, когда параметр ß близок к единице, величинами, пропорциональными 1—ß в знаме­ нателе, можно пренебречь. Тогда

Важным параметром регенеративного усилителя является его ■*эффективность, равная произведению полосы пропускания на ко­ рень квадратный из коэффициента усиления по номинальной мощ­

ности;

П. (47)

Для двухконтурного регенеративного ПУ в режиме «на проход» величина эффективности в соответствии с (36), (46), (47) равна

_ /і 2Ѵёс SH

(48)

п~ Qigi(1 + k)

Из (48) следует, что для каждой конкретной конструкции ПУ эффективность зависит от добротности фильтров, соотношения ком. бинациоңных частот и проводимостей в сигнальной цепи.'

39