книги из ГПНТБ / Приемные устройства радиолокационных сигналов конспект лекций

бавочную составляющую скорости ѵ± (рис. 34). Поскольку цикло­ тронная частота зависит только от величины напряженности по­ стоянного магнитного поля и измениться не может, то увеличение

1 1 -

Рис. 34

скорости движения электрона возможно только за счет увеличения

вторяется и, когда электрон выходит из пространства между пла­ стинами, то он дальше движется по спиральной траектории. Вели­ чина радиуса спирали при постоянных первоначальной линейной скорости ѵ0 и напряженности магнитного поля линейно зависит только от амплитуды напряжения частоты сигнала, приложенного к пластинам конденсатора. Аналогично взаимодействуют с электри­ ческим полем конденсатора все остальные электроны.

Таким образом, электронный луч, после пластин конденсатора, колебательного контура, который мы будем называть в дальнейшем входной цепью усилителя, движется по спирали, с радиусом, про­ порциональным приложенному ко входной цепи напряжению сигна­ ла. Как видим, энергия сигнала во входной цепи затрачивается на создание циклотронного движения электронного луча. Закон моду­ ляции сигнала при этом полностью сохраняется в силу линейной зависимости радиуса от напряжения сигнала. Энергия сигнала, пе­ реносимая электронным лучом, пропорциональна квадрату радиуса.

3.3. Усиление циклотронной волны

Описанный выше процесс еще не является процессом усиления. Энергия циклотронной волны равна затраченной на ее образование энергии сигнала минус потери во входной цепи.

Для усиления циклотронной волны необходимо увеличить ра­ диус вращения электронов (радиус спирали). Тогда энергия волны возрастает пропорционально квадрату радиуса.

Очевидно, увеличение радиуса движения электронов можно по­ лучить, увеличивая их скорость движения по окружности. Тогда в

50

С этой целью используется переменное электрическое поле, уско­ ряющее электроны и вращающееся с той же скоростью, что и элек­ троны. В дальнейшем будем называть это поле полем накачки.

Для обеспечения линейного усиления необходимо, чтобы ампли­ туда напряженности усиливающего поля возрастала линейно по мере удаления от оси электронной спирали, т. е. пропорционально радиусу.

Такое поле можно создать с помощью четырехполюсного (квадрупольного) конденсатора, пластины которого имеют поперечное сечение в виде гиперболы. Противоположные пластины конденса­ тора соединены, и к ним приложено напряжение накачки (рис. 35).

Частота напряжения накачки выбирается равной удвоенной цикло­ тронной частоте.

Если поместить начало координат в центре конденсатора, а оси X и у направить через середины соседних пластин, то амплитуду потенциала между пластинами можно записать в виде

Ѵ= % ё(У *-Х*),

где

U„ — амплитуда напряжения накачки на пластинах; d — расстояние от оси конденсатора до пластин.

Амплитуды составляющих напряженности поля накачки по осям х и у будут соответственно равны

Тогда амплитуда напряженности поля накачки в любой точке меж­ ду пластинами равна

51

ловина уменьшать. Следовательно, окончательный эффект увели­ чения кинетической энергии электронов определяется не макси­ мальным радиусом /„„Ke- а некоторым средним радиусом

Следует отметить, что средний радиус всегда больше началь­ ного. Этот процесс увеличения радиуса циклотронного движения электронов и. является параметрическим. Иначе говоря, можно рассматривать этот процесс как прохождение электромагнитной волны, наложенной на электронный луч, по линии передачи, обра­ зованной электронным лучом и пластинами квадрупольного кон­ денсатора. Параметры этой линии, изменяются с частотой накачки, равной удвоенной частоте сигнала, т. е. здесь мы имеем процесс, аналогичный процессу в одноконтурном параметрическом усили­ теле.

Отвод усиленного сигнала осуществляется с помощью колеба­ тельного контура, настроенного на частоту сигнала и полностью аналогичного входному. Электроны, движущиеся после квадру­ польного конденсатора по спирали с увеличенным радиусом, вле­ тают в пространство между .пластинами конденсатора выходного контура и наводят на его пластинах ЭДС. В результате в контуре возникает переменный ток частоты сигнала и между пластинами возникает электрическое поле, которое препятствует" причине, его вызвавшей, т. е. является тормозящим для движущихся в нем электронов. Электроны отдают энергию электрическому полю и уменьшают радиус своего движения (рис. 38). Для отвода элек-

*

Рис. 38

тронов, вышедших из выходного контура, ставится коллектор. На рис. 38 показана траектория электронов в промежутке от электрон­ ной пушки до коллектора. Конструкция электроннолучевого па­

раметрического усилителѣ изображена на рис. 39. На рисунке обозначены:

1 — электронная пушка;

2 — стеклянная колба усилителя:

53

3 — фокусирующий соленоид, создающий постоянное магнитное поле с напряженностью Н, определяющей циклотронную частоту

4 — входная цепь (входной контур);

5 — контур квадрупольного конденсатора;

6 — выходная цепь (выходной контур);

7 — коллектор.

3.4. Коэффициент усиления усилителя

Ранее было показано, что энергия сигнала во входной цепи преобразуется в кинетическую энергию циклотронного движения электронов, которая существенно возрастает в результате увели­ чения радиуса циклотронного движения после прохождения элек­ тронами квадрупольного конденсатора.

Так как энергия циклотронного движения электронов опреде­ ляется формулой

пиа^г1

54

то, очевидно, что коэффициент усиления мощности электроннолу­ чевого усилителя будет равен

где rcр — средний радиус циклотронного движения электронов на выходе квадрупольного конденсатора.

Найдем закон изменения радиуса в поле квадрупольного кон­ денсатора.

С одной стороны, сила, действующая на электрон и увеличива­ ющая радиус его движения, равна

где < 7 — заряд электрона;

Е— амплитуда напряженности электрического поля.

Сдругой стороны,

Разделяем переменные:

гd*a>am a t .

са, с которым электроны входят в квадрупольный конденсатор, до радиуса, по которому они будут вращаться через время т:

г

J -т “г-

55

Максимальный радиус вращения электронов на выходе квад-

(косинус гиперболический). Отсюда

Реально коэффициент усиления достигает 20—25 дБ- Заметим, что коэффициент усиления от частоты сигнала практи­

чески не зависит, т. е. процесс усиления возможен в широкой поло­ се частот. Однако в реальных устройствах полоса пропускания уси­ лителя ограничена полосами пропускания входной и выходной це­ пей и может находиться в пределах от единиц до 20 процентов от несущей.

3.5. Коэффициент шума усилителя '

Очень важной особенностью электроннолучевого параметриче­ ского усилителя является малый уровень собственных шумов и, следовательно, малый коэффициент шума. Причиной этого являем ется то, что дробовый эффект не сказывается на уровне собствен­ ных шумов, ибо процесс усиления не связан с плотностью элек­ тронного луча, а определяется лишь наличием поперечной состав­ ляющей скорости электронов.

Отсюда можно сделать вывод, что основным источником шума в усилителе является неравномерность истечения электронов из элек­ тронной пушки по направлению, т. е. тот факт, что часть электронов выходит из электронной пушки не параллельно оси, а .под углом, имея уже некоторую поперечную составляющую скорости.

В постоянном магнитном поле эти электроны начинают еще до входной цепи двигаться по спирали, т. е. несут уже какую-то,энер­ гию. В силу произвольности выхода этих электронов из электрон­ ной пушки энергия, связанная с их циклотронным движением, явля­ ется энергией шума. Этот процесс, действительно, имеет место в усилителе, но шумы, возникающие за счет описанного эффекта, Су­ щественно уменьшаются во входной цепи.

56

Электроны, несущие энергию шума, войдя в область конденса­ тора входной цепи, наводят шумовую ЭДС на его пластинах, и в контуре входной цепи возникают шумовые колебания. Электриче­ ское поле, созданное между пластинами конденсатора, является тормозящим для шумовых электронов, поскольку причиной его возникновения является их циклотронное движение. В результате электроны отдают энергию шума входной цепи. Электромагнитные колебания шума, возникшие при этом, частично теряются на соб­ ственном сопротивлении входной цепи, а. частично-уходят по кабе­ лю в антенну, где и излучаются. Таким образом, после входной цепи электронный луч свободен от электронов, несущих энергию шума. Этот процесс снятия шумов с электронного луча называют «охлаж­ дением луча».

Поэтому основными внутренними шумами электроннолучевого параметрического усилителя являются собственные тепловые шумы входной цепи, а также так называемые электронные шумы, обуслов­ ленные некоторой неравномерностью скоростей движения электро­ нов в луче, попаданием электронов на пластины входной цепи и неидеальностыо формы пластин входной цепи, что приводит к иска­ жениям траектории электронов.

Коэффициент шума усилителя можно найти, зная среднеквадра­ тичные значения шумовых токов всех источников. Шумы источника сигнала, поступающие во входную цепь, можно оценить по извест­

где go- — собственная проводимость входной цепи.

Электронные шумы можно оценить, отнеся их к некоторой элек­ тронной проводимости луча, находящейся при шумовой темпера­ туре Тъ,

/*Э=4А7У7Ш£.. Электронная проводимость определяется формулой

где

1\ — длина пластин входной цепи;

cl\ — расстояние от оси луча до пластины; /«о — ток луча; и 0— ускоряющее напряжение.

Эквивалентная шумовая температура электронной проводимости Тэ приблизительно составляет 0.015—0.08 температуры катода, т. е.

Г„=(15~т-80)/(.

.57

/

4

УСИЛИТЕЛИ НА ТУННЕЛЬНЫХ ДИОДАХ

4.1. Принцип действия

В усилителях на туннельных диодах, как и в регенеративных параметрических усилителях, эффект усиления достигается за счет вносимой в колебательный контур отрицательной проводимости. Однако механизм образования отрицательной проводимости здесь другой. Если в полупроводниковых параметрических усилителях отрицательная проводимость

G-— —г-----

создается за счет периодического изменения нелинейной емкости р—п перехода под воздействием высокочастотного источника на­ качки, то в туннельных усилителях отрицательная проводимость возникает в самом диоде при подаче на него постоянного напряже­ ния.

Высокая концентрация примесей в полупроводниках туннельно­ го диода резко изменяет характер и свойства его перехода. В частно­ сти, у такого диода толщина перехода составляет 10“° см, т. е. в 100 раз меньше, чем у обычного полупроводникового диода. Это приводит к тому, что даже при малом постоянном напряжении, приложенном к туннельному диоду, возникает высокая напряжен­ ность электрического поля в р—«-переходе. Так, постоянное на-

пряжение t/0 = 0,l В создает напряженность поля Е — 105~ . При

этом создаются условия для преодоления электронами энергетиче­ ского барьера, существующего в месте перехода. Возникающий при . этом ток называется туннельным током. Благодаря туннельному

59