книги из ГПНТБ / Приемные устройства радиолокационных сигналов конспект лекций

эффекту вольт-амперная характеристика диода приобретает вид. как показано на рис. 40.

Если рабочую точку А выбрать на падающем участке вольтамперной характеристики путем подачи на диод положительного смещения f/0, то туннельный диод будет эквивалентен некоторой отрицательной проводимости (7 = tqai. При включении такого диода в колебательный контур получим регенеративный усилитель. Уси­ ление мощности, как и в резонансных ламповых и транзисторных усилителях, в туннельных усилителях осуществляется за счет рас­ хода мощности постоянного источника смещения.

4.2. Эквивалентная схема и параметры туннельного диода на высоких частотах

Эквивалентная схема туннельного диода для малых уровней входных сигналов представлена на рис. 41.

Rn — дифференциальное отрицательное сопротивление перехода. Запишем импеданс эквивалентной схемы без учета Ск:

20 = Яо-!-/«£к+ — —l j - •

/шСп—-р-

•'ll

Отсюда выражения для активной Rd и реактивной Хд составляю­ щих на зажиме диода

Из сотношения (1) видно, что отрицательное сопротивление тУн

60

цельного диода Яö, реализуемое на внешних выходах, зависит от частоты и при некоторой предельной частоте <«пред обращается в нуль.

Из (1) при Яд = 0 находим

Согласно (2) реактивная составляющая сопротивления на за­ жимах диода также зависит от частоты и при некоторой частоте наступает собственный резонанс туннельного диода, т. е. ^^ = 0. Частота собственного резонанса шрез определяется выражением

На частотах ниже шрез реактивное сопротивление диода носит емкостный характер, а на частотах выше — индуктивный.

Часто при расчете колебательной системы туннельного усилите­ ля целесообразно представлять эквивалентную схему туннельного диода не в виде последовательного включения сопротивлений Яд и Х д (1), (2), а в виде параллельного. Пересчет последовательной цепи в параллельную рис. 42 производится по известным формулам

где

Gd, Ва активная и реактивная составляющая входной прово­ димости диода. На рис. 43 представлены зависимости В д(ш) и Gg(ui), рассчитанные по формулам (5) и (6). соответственно.

8д

Рис. 42

Пользуясь этими зависимостями, можно определить параметры

6і

эквивалентной схемы туннельного диода на частоте усиливаемого сигнала (рис. 44):

Од^ О д(шп):

Вд(аір) Саэ~ =С. шп

4.3. Устройство усилителя на туннельном диоде

Согласно рассмотренному выше принципу работы туннельный усилитель включает в себя колебательный контур (систему) и тун­ нельный диод с постоянным положительным смещением, обеспечи­ вающим положение рабочей точки на падающем участке вольтамперной характеристики. Кроме этого, для обеспечения устойчивой работы усилителя необходимо выполнить два условия. Первое со­ стоит в том, чтобы нагрузочная характеристика по постоянному току ВС (рис. 45) пересекала вольтамперную характеристику ди-

1

6? _ jfy*

т

Рис. 44 Рис. 45

ода в одной точке А, лежащей на падающем участке. В противном случае (см. пунктир) рабочая точка А будет неустойчивой. Это условие аналитически можно записать в виде

R1 — сопротивление нагрузки диода по постоянному току (со­ противление смещения).

С учетом того, что отрицательная проводимость туннельного диода Gd = 0,1 -5- 0,01 Сим, для удовлетворения условия (7) ис­ точники постоянного смещения должны выбираться низкоомными (с большой внутренней проводимостью).

Второе условие заключается в обеспечении устойчивой работы туннельного усилителя на частотах, значительно превосходящих ча­

62

4.4. Принципиальная схема усилителя на туннельном диоде

Принципиальная схема УТД, изображенного на рис. 46, работа­ ющего в отражательном режиме (с циркулятором), представлена на рис. 47. Для пояснения принципиальной схемы на рис. 48 пред-

Рис. 4R

ставлен ее низкочастотный эквивалент. Работа стабилизирующего двухполюсника пояснена рис. 49. Для частот усиливаемых сигналов со = мо(Я.с) разрыв двухпроводной линии в точках 2—2 пересчи­

тывается в разрыв в точках 1—1, что эквивалентно отключению от колебательной системы шунтирующего сопротивления /?2 - Для выс­

■■64

ших частот о)>ао(А,<Хс) активное сопротивление # 2 оказывается подключенным к колебательному контуру, что предотвращает само­ возбуждение усилителя.

4.5. Эквивалентная схема отражательного УТД

ка сигнала (циркулятора).

1

Рис. 50

На основании эквивалентной схемы можно получить выражение для качественных показателей УТД (Кр, П, Кш)-

а) Коэффициент усиления по мощности

(8)

С — емкость колебательного контура.

Величина П ограничивается полосой пропускания колебатель-

ной системы. Практически -^-=0,04-5-0,4.

в) Коэффициент шума Источники шума:

1 ) тепловые шумы в активной проводимости источника сигна gc и проводимости потерь в контуре ga

где

е = 1 ,6 -1 0 - 1 9 кулон — заряд электрона;

/0 — постоянная составляющая тока через диод.

Выразим дробовой шум через тепловой шум некоторой активной проводимости grn'

(13)

Приравняв правые части уравнений (12) и (13) и решив полу­ ченное уравнение относительно шумовой проводимости диода получим

(14)

Общее выражение для коэффициента шума

/ 2

(15)

Подставив в (15) значения величин /щ8ЫХ и 12шс, получим

Практически Кш= 2 -5 -4 ).

66

5

КВАНТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ СВЧ

Стремление обеспечить минимальный коэффициент шума радио­ приемных устройств привело к созданию усилителей высокой ча­ стоты нового типа, принцип действия которых основан на исполь­ зовании явления взаимодействия частиц вещества (электронов, атомов, молекул, ионов) с электромагнитным полем.

Впервые явление взаимодействия связанных электронов веще­ ства с электромагнитным полем было открыто в 1944 году совет­ ским ученым Завойским и названо электронным парамагнитным резонансом (ЭПР).

В послевоенный период параллельно в Советском Союзе и в США велись работы в области нового раздела науки — квантовой электроники, возникшего на стыке квантовой физики и радиоэлек­ троники. Работы, выполненные в физическом институте имени Ле­ бедева Академии наук СССР, привели к созданию в 1955 году первого квантового (молекулярного) генератора электромагнитных колебаний СВЧ, а в 1956 году — первого квантового парамагнитно­ го усилителя СВЧ.

За работы в области квантовой электроники советские ученые А. М. Прохоров и Н. Г. Басов удостоены в 1964 году Ленинской премии, а в 1965 году им совместно с американским ученым Ч. Та­ унсом была присуждена Нобелевская премия.

В настоящее время квантовые усилители СВЧ применяются в тех случаях, когда требуется обеспечить особо высокую чувстви­ тельность радиоприемного устройства, ибо основным достоинством этих усилителей является ничтожно малый уровень собственных шумов.

Чтобы понять принцип действия квантового усилителя, необхо­ димо ознакомиться с основными свойствами так называемых кван­ товых систем, т. е. систем частиц вещества.

5.1. Физические основы работы квантовых усилителей

Из курса физики известно, что все частицы вещества (атомы, молекулы, ионы) обладают запасами внутренней энергии. Основ-

67

ными источниками этой энергии являются магнитные и электриче­ ские моменты магнитных и электрических молекулярных диполей, вращение электронов вокруг ядра в атоме и вращение электронов вокруг собственной оси (спин электрона).

Характерно, что эти запасы внутренней энергии частиц кон­ кретного вещества при постоянных внешних магнитных и электри­ ческих полях строго определенны, т. е. частица может принимать и иметь только определенные дискретные значения внутренней энергии. Принято говорить, что внутренняя энергия частиц кван­ тована, т. е. что частицы вещества могут находиться только в опре­ деленных энергетических состояниях или на определенных для каждого конкретного вещества энергетических уровнях.

Выясним, как распределены ча­ стицы по этим энергетическим уров­ ням.

Если отложить по оси абсцисс число частиц в единице объема ве­ щества /V (в дальнейшем будем на­

в Кельвинах).

Из закона распределения Больцмана следует, что при темпе­ ратуре, равной ОК (—273° по Цельсию), все частицы будут нахо­ диться на самом нижнем уровне, а при Т, стремящейся к беско­ нечности,- населенности всех уровней будут одинаковы.

При фиксированной температуре между уровнями происходит непрерывный обмен частицами, но их распределение остается не­ изменным. Это состояние называется состоянием термодинамиче­ ского равновесия.

Если температура окружающей среды возрастает, то возраста­ ет кинетическая энергия частиц окружающей среды. В результате

68

\

соударений частиц вещества с частицами окружающей среды ча­ стицы вещества будут получать в среднем больше энергии, чем отдавать. При некоторых соударениях количество энергии, полу­ чаемой частицей вещества, может совпадать с разностью энергий какого-то высшего уровня и того уровня, на котором частица на­ ходилась в момент соударения. В этом случае кинетическая энер­ гия при соударении может перейти во внутреннюю энергию части­ цы и последняя перейдет на высший энергетический уровень. Этот процесс получения энергии извне будет продолжаться до тех пор, пока у вещества не установится нивое состояние термодинамиче­ ского равновесия, соответствующее новой, более высокой темпера­ туре. Если температура окружающей среды понижается, то процесс происходит в обратном направлении,-Переходы частиц, связанные с установлением состояния термодинамического равновесия, назы­ вают тепловыми переходами. Как мы видим, эти переходы сопро­ вождаются теплообменом между веществом и окружающей средой при изменении температуры. Время, в течение которого тепловые переходы обеспечивают установление нарушенного искусственно состояния термодинамического равновесия, называют временем продольной релаксации.

Кроме тепловых переходов между уровнями, существуют н произвольные переходы частиц с верхних уровней на нижние. Эти переходы называют спонтанными. При спонтанном переходе ча­ стица всегда тёряёт часть внутренней энергии, которая излучается в виде кванта электромагнитной энергии. Естественно, что энергия излученного частицей кванта равна разности энергий тех уровней, между которыми совершила переход частица. Это условие назы­ вают частотным условием Бора:

h f ^ W i - W j , і> и

где

h — постоянная Планка, равная 6,625.10~34 Дж.

fij— частота электромагнитных колебаний, соответствующая раз­ ности энергий уровней Wt и Wf-

Произведение A/(jn является энергией кванта.

Характерно то, что при спонтанных переходах частицы перехо­ дят с верхних уровней на нижние произвольно, хаотически и, сле­ довательно, излучение квантов происходит тоже хаотически, неко­ герентно.

Следствием спонтанного излучения в диапазоне радиочастот яв­ ляется белый шум, а в оптическом диапазоне рассеянное световое излучение со сравнительно' широким спектром.

5.2. Взаимодействие вещества с постоянными электрическими и магнитными полями

- Ранее было сказано, что при постоянных внешних электрйческйх и магнитных полях энергетические уровни строго постоянны. При помещении вещества в постоянное магнитное поле энергетй-

69