книги из ГПНТБ / Смогилев К.А. Радиоприемники сверхвысоких частот

Чвдоль линии по экспоненциальному закону, то в данном слу­ чае она нарастает по тому же закону.

Если на входе спирали амплитуда напряженности электри­

где Г — вещественная часть постоянной распространения. Мощность в конце линии длиной I равна:

P, = kE<?e2Г1

а коэффициент усиления по мощности:

Постоянная распространения Г находится в результате ре­ шения довольно сложной задачи взаимодействия электромаг­

нитного поля с электронным пучком и равна:

Необходимость введения искусственного ослабления объяс­ няется следующими обстоятельствами.

Практически в конструкции ЛБВ не удается осуществить идеальное согласование на входе и выходе лампы. Поэтому всегда имеются отраженные от конца спирали волны, распро­ страняющиеся ко входу ЛБВ. Отражаясь от входного конца

Прямая волна также ослабляется ослабителем. Поэтому коэффициент усиления лампы определяется с учетом введен ного ослабления.

Коэффициент шума ЛБВ.

Коэффициент шума ЛБВ можно найти, пользуясь выраже­ нием, которое получено, например, С. Д, Гвоздовером и пред­ ставляется в следующем виде:

и с

Здесь io — ток пучка;

D — расстояние от ускоряющего анода до начала спи­ рали;

132

где Ко и Лл — модифицированные функции Бесселя второго рода.

Рис. 3.41.

Для удобства расчётов на рис. 3.40 и 3.41 даются графики

функций F-i (-«о) и F7 л:0| > приведенные в работе Гвоздо-

вера С. Д. «Теория электронных приборов сверхвысоких частот».

133

§3.12, Параметрические усилители

1.Общие сведения о параметрических усилителях

Параметрические явления в радиотехнике исследовались

в30-х годах школой Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалексп,

вчастности, Г. С. Гореликом, С. М. Рытовым и др., которые

установили возможность генерирования и усиления колебании в линейных системах с переменным параметром. Однако уро­ вень развития радиотехники и радиоэлектроники не позволял еще в те годы реализовать преимущества параметрических устройств.

Развитие техники усиления, которое в наши дни характер­ но стремлением получить малый коэффициент шума п высо­ кий коэффициент усиления, снова привело к параметрическим усилителям. Последние позволяют обеспечить низкий коэффи­ циент шума порядка 1^ 6 дб (меньше, чем коэффициент шума усилителя на ЛБВ) и коэффициент усиления по мощности порядка 10^20(96.

Параметрическим усилителем называется линейная система (например, колебательный контур), в которой под действием внешней силы меняется энергоемкий параметр (емкость или индуктивность колебательного контура).

Энергия, за счет которой осуществляется усиление, посту­ пает в линейную систему от источника внешней силы (напри­ мер. от автогенератора) посредством изменения энергоемкого параметра, т. е. такого параметоа, который при изменении может запасать энергию.

В качестве примера, на котором можно выяснить основные черты параметрической системы, рассмотрим раскачивание качелей. Чтобы раскачать качели, которые немного уже ка­ чаются, стоящий на доске человек приседает в момент макси­ мального отклонения качелей от положения равновесия и вы­ прямляется, когда качели проходят через положение равно­ весия. Качели со стоящим на них человеком можно рассмат­ ривать как единую систему, в которой периодически под действием мускульной силы человека меняется положение центра тяжести груза подвешенного на веревке. Изменение положения центра тяжести равносильно изменению длины подвеса качелей. Приседание равносильно увеличению длины подвеса, выпрямление — ее уменьшению. За время одного периода колебаний качели человек приседает два раза, внеш­ няя сила (мускульная сила) изменяет параметр (эффективную длину качелей) дважды, при этом качели раскачиваются быст­ рее всего, а поддержание колебаний осуществляется легче все­

134

го (с помощью небольших приседаний). Таким образом, ча­ стота колебаний, возникающих в системе с переменным пара­ метром, не равна вообще частоте изменения параметра, хотя и при равенстве частот возникновение колебаний возможно (человек приседает при отклонении качели только вправо или влево). Частоты изменения параметра (*>п и усиливаемого колебания “с связаны следующим соотношением:

Энергия, необходимая для раскачивания качелей, посту­ пает от источника внешней силы, изменяющей параметр.

Когда скорость качелей равна нулю, человек приседает, длина качелей уменьшается, энергия качелей также умень­ шается на величину:

Д W 1 = — m g A l ,

(человек стал ближе к земле).

Когда скорость качелей v достигает максимальной вели­ чины (при прохождении через положение равновесия), чело­ век выпрямляется и, поднимая массу т на расстояние Д I, совершает работу против силы земного притяжения и центро­ бежной силы.

Указанная работа, которая увеличивает энергию системы, равна:

AWi = mgAl-\-r^ A l . to

Энергия, запасенная в системе за полпериода,

135

Электрическими аналогами механических параметрических систем являются параметрические усилители и генераторы.

В настоящее время разработаны параметрические усили­ тели, резонансные системы которых включают переменную емкость либо индуктивность. Имеются параметрические уси­ лители с электронным лучом, плотность которого является переменным параметром.

На рис. 3.42 изображена эквивалентная схема параметри­ ческого усилителя, резонансная система которого состоит из

механически с помощью мотора М.

'V

/

Рис. 3.42.

Благодаря изменению емкости в контуре запасается энер­ гия, которая расходуется на усиление 'колебаний, поступающих от источника полезного сигнала. Часть мощности усиленного полезного сигнала поступает в нагрузку (GH), другая части рассеивается на собственном активном сопротивлении контура

Рассмотрим, каким образом в контуре при изменении ем­ кости запасается энергия. Для этого представим себе колеба­ тельный контур (рис. 3.43), емкость которого скзчком изме­ няется, когда пластины конденсатора перемещаются йз поло­ жения 1 —1 в положение 2—2 и наоборот. Пусть в положении. 1—1 емкость конденсатора имеет величину Ck(t)= Ско и за­ ряжена до напряжения U0. Заряд конденсатора при этом равен:

136

а запасенная в конденсаторе энергия составляет величину

(3.83)

Если посредством внешней силы раздвигать пластины конденсатора, энергия, которая при этом расходуется источ­ ником внешней силы на преодоление электрических сил при­ тяжения пластин, запасается в конденсаторе в качестве по­ тенциальной энергии. При удалении пластин конденсатора его заряд практически не меняется, а емкость Ск уменьшается, напряжение между пластинами конденсатора Uc растет, сле­ довательно, растет потенциальная энергия, запасенная в кон­ денсаторе. Если емкость Ск изменилась на величину ДСк, а напряжение — на величину ДUc, то приращение потенциаль­ ной энергии конденсатора равно

f

1

2

Рис. 3.43. '

Таким образом, раздвигая пластины конденсатора (умень­ шая емкость контура), можно запасти в нем за счет источни­ ка внешней силы дополнительную энергию, которую израсхо­ довать затем на усиление полезного сигнала. При этом надо иметь в виду, что емкость целесообразно уменьшать в мо­ менты времени, когда напряжение £Ло достигает максималь­

137

силы, можно пояснить с помощью временных диаграмм, при­ веденных на рис. 3.44. В первой строчке (рис. 3.44,а) пока­ зано напряжение полезного сигнала, который поступает в кон­ тур от соответствующего источника.

Напряжение на конденсаторе изменяется в соответствии с законом изменения указанного полезного сигнала. В момен­ ты времени, когда напряжение на конденсаторе достигает максимального значения, его -емкость уменьшается путем раздвигания пластин или любым другим путем, увеличивается напряжение между пластинами, возрастает потенциальная энергия, запасенная в конденсаторе. В последующую чет­ верть периода емкость разряжается через активное сопротив­ ление контура, его индуктивность и сопротивление нагрузки.

Мсвых

Часть энергии, запасенной в конденсаторе, поступает в ка­ тушку индуктивности, другая часть — рассеивается на актив­ ном сопротивлении контура и в нагрузке.

Когда напряжение на конденсаторе становится равным нулю (£/с = 0 ), емкость под действием внешней силы увеличи­ вается, пластины сдвигаются до начального значения Ск0. При этом источник не затрачивает энергии на изменение емкости,

138

так как напряжение на ней отсутствует и, следовательно, от­ сутствуют. электрические силы, которые надо преодолевать, чтобы изменить емкость. Таким образом, энергия, запасенная "в конденсаторе, при уменьшении емкости поступила в контур,

ачасть се запасена в катушке индуктивности.

Вследующий полупернод емкость уменьшается, когда на­ пряжение на ней достигнет максимального отрицательного (относительно предыдущего полупериода) значения. Умень­

шение емкости в рассматриваемом полуперноде приведет к увеличению напряжения и, следовательно, к новому прира­ щению энергии в контуре. Далее процесс будет повторяться.

Если за период запасается энергия, превышающая потери

в контуре и нагрузке, то в такой системе можно получить ав­ токолебания. Если же потери в контуре и нагрузке равны или

несколько превышают поступающую в контур за период энер­ гию, то система будет работать в режиме усиления.

Как и в случае механической системы с переменным пара­ метром, наибольший приток энергий поступает в контур, когда энергоемкий параметр меняется с удвоенной частотой, так как

втечение периода энергия поступает в контур дважды. Если параметр меняется с частотой сигнала, то при одинаковой глубине его модуляции (по сравнению с предыдущим случаем)

вконтур поступает в два раза меньше энергии (так как при­ ток энергии осуществляется один раз).

Усиление колебаний в параметрическом усилителе возмож­ но, если выдерживается следующее соотношение между ча­ стотами сигнала и подкачки:

где п = 1, 2, 3, 4 ...

Из рассмотрения рис. 3.44 можно сделать важный вывод о необходимых фазовых соотношениях между усиливаемым сигналом и сигналом подкачки. В самом деле, если емкость контура уменьшается^ когда напряжение на конденсаторе до­ стигает максимально!? величины, то в контур поступает макси­ мальная энергия. Если емкость менять с удвоенной частотой, но со сдвигом по фазе на четверть периода, т. е. уменьшать ее, когда напряжение на ней равно нулю, то усиления не полу­ чится, наоборот, колебания, поступающие в контур, будут ослабляться.

1.39