книги / Радиоприемные устройства.-1

Pc. 5.26

Несмотря на то что параметрическое усиление принципиально возможно во всем диапазоне радиочастот, наибольшее применение находят усилители СВЧ. В этом случае в качестве контуров используются объемные резонаторы или отрезки длинных линий. Возможные конструкции одноконтурного ПУ сантиметрового диапазона схематично показаны на рис. 5.26, где для упроще­ ния опущены элементы настройки и цепи питания диода по постоянному току. Энергия накачки Рн поступает к диоду VD с помощью волновода; энергия ко­ лебания Р с частотой а>с может подаваться на усилитель и отбираться от него по-разному: с помощью одного и того же отрезка волновода (рис.5.26, а) или с помощью отдельных отрезков (рис. 5.26, 6) . В первом случае ПУ назы­ вается усилителем "на отражение", во втором — "на проход''

Как известно, на частотах, близких к частоте резонанса, отрезок волново­ да оказывается эквивалентным некоторому колебательному контуру, изобра­ женному на рис. 5.22. Для эффективного управления емкостью такого конту­ ра диод VD помещается в точку пучности напряженности электрического поля. В результате этого изменение величины его напряженности с частотой колебания генератора "накачки” приводит к изменению емкости диода.

-Gt

7вН

Рис. 5 3 0

В зависимости от мощности, передаваемой в контур генератором накачки, можно изменять Gw и, таким образом, в разной степени компенсировать поте­ ри в контуре. Для близких значений G и (7вн коэффициент усиления по мощ­ ности может быть очень большим. Однако чем больше усиление, тем меньше его стабильность. Последнее объясняется тем, что большая величина Кр соот­ ветствует малой разности G и G , так что небольшое случайное изменение одной из проводимостей значительно изменяет эту разность и, следовательно, Кр Кроме того, при приближении к порогу генерации может исказиться фор­ ма резонансной характеристики усилителя, что свойственно также другим ти­ пам усилителей (например, транзисторным и ламповым). Достижимые на практике коэффициенты усиления, обеспечивающие необходимую устойчи­ вость работы, составляют в диапазоне СВЧ в среднем 10—30, что удовлетворя­ ет требованиям к УРЧ.

2.Коэффициент шума. Составим эквивалентную шумовую схему ПУ (см. рис. 5.29). Полагая, что проводимости Gв , G ^ fis являются источниками теп­

ловых шумов, a G не создает шумов, так как эта проводимость обусловлена изменением величины чисто реактивного элемента С , запишем выражения для шумовых источников:

температура, соответствующая определенному элементу схемы; к —постоян­ ная Больцмана.

Кроме названных источников шума РПУ, в нелинейном элементе могут су­ ществовать шумы нетеплового вида (рапример, дробовые шумы в-объеме по­ лупроводника, шум спонтанного излучения в ферритах и т. д .). Такие источни­ ки шума удобно представлять некоторым эквивалентным (по выходному эф­

В результате приходим к шумовой эквивалентной схеме ПУ, показанной на рис. 5.30. Используя определение коэффициента шума (см. (1.20)) и учи­ тывая, что мощность пропорциональна квадрату эффективного значения тока (5.35), (5.36),получаем

нейшем учитывать его не будем.’ Последнее подтверждается эксперименталь­ ными и теоретическими исследованиями шумов полупроводниковых диодов, показавшими, что дробовые шумы диодов в режиме параметрического усиле­ ния в большинстве случаев не оказывают заметного влияния на величину К Тогда для одинаковых шумовых температур 71 = Т запишем

то коэффициент шума ПУ оказывается весьма близким к единице (1—2 дБ и менее). Расчеты показывают, что основными источниками теплового шума в рассматриваемом усилителе являются сопротивление диода R и проводи­ мость колебательного контура GK Как следует из (5.37), на коэффициент шума ПУ сильное влияние оказывает температура окружающего пространства. Для уменьшения влияния этого фактора на практике используют криогенные установки с низкой абсолютной температурой, в которые помещают ПУ (так называемые охлажденные ПУ) .

3. Полоса пропускания. Из известного выражения для эквивалентного со­

В рассмотренном виде ПУ нагрузка и источник сигнала подключены к од­ ной и той же колебательной системе. Это отличает ПУ от ламповых и транзис­ торных усилителей, где входной и выходной контуры разделены. В результате такой особенности ПУ шумы его нагрузки поступают в усилитель, усиливают­ ся в нем и вновь выделяются на нагрузке. Поэтому уровень шума на входе следующего каскада радиоприемника может значительно увеличиться.

Рис. 5,31

Для электрической "изоляции” входной и выходной цепей ПУ на практи­ ке используются дополнения к рассматриваемым схемам, например циркуля­ торы. Энергия, поступающая от источника входного сигнала к первому пле­ чу 1 циркулятора Ц (рис. 5.31), подается только на второе плечо 2 , т. е. по­ падает на нелинейный элемент; энергия, поступающая от последнего ко второ­ му цлечу, выходит через третье плечо 3 , т. е. попадает в нагрузку —последую­ щую часть приемника. Энергия шумов, создаваемых нагрузкой, поглощается в поглотителе, связанном с четвертым плечом 4 . В результате шумы приемни­ ка не попадают обратно в ПУ, где они могут быть усилены. Несмотря на то что сам циркулятор является источником шумов, при его использовании умень­ шается коэффициент шума всего приемника.

5.7.3. Другие виды параметрических усилителей

Двухконтурные ПУ. Кроме одноконтурных усилителей, используются так­ же усилители с двумя контурами (см. эквивалентную схему на рис. 5.32). В этом случае один из контуров настраивается на частоту сос , а другой (так называемый ’’холостой") - на частоту со_ . Связь между контурами осуществ­ ляется с помощью нелинейной емкости, управляемой напряжением с частотой

«и* Анализируя работы схемы, приведенной на рис. 5.32, можно определить эквивалентную проводимость Y (со,) на частоте сос , обусловленную наличием управляемой емкости и второго контура. Проводимость Y (сос) вычисляется

откуда следует, что в первый контур вносится отрицательное сопротивление,

У(ь>с)

компенсирующее его потери. Известно, что генерация в схеме наступает тогда, когда будут полностью скомпенсированы потери первого контура. Это соот­ ветствует равенству Яе(У(сос)) = —G{ , где Gi —эквивалентная проводимость первого контура.

Необходимо обратить внимание на то,что проводимость Y (с о ), вызванная параметрическим эффектом, не зависит от разности фаз колебаний с частота­ ми со и сои . Это позволяет избежать трудностей точного фазирования колеба­ ний сигнала и накачки, что является существенным преимуществом двухкон­ турного усилителя сравнительно с одноконтурным.

Коэффициент ш уш двухконтурного усилителя для одинаковых шумовых

ций, приведенных для одноконтурного ПУ, необходимо уменьшать отношение

а)с/о)_

Параметрический преобразователь частоты / в частоту / + . Спектр частот для этого случая приведен на рис. 5.33. Если подавить колебание разностной частоты /_ и использовать колебание суммарной частоты / + (5.31), то выра­

ким образом, из трех рассматриваемых мощностей от усилителя отбирается мощность колебания суммарной частоты (см. рис. 5.27, ^.Непосредственно­ го усиления на частоте принимаемого сигнала в отличие от ПУ с "отрицатель­ ным” сопротивлением в этом случае не происходит, т. е. усиление сопровож­ дается преобразованием частоты сигнала. Различие частот колебаний на входе и выходе усилителя обусловливает устойчивость и стабильность его работы. Выражение для коэффициента усиления по мощности можно получить из (5.42):

гию на частотах / с и /_ (см. рис. 5.27, в ) . Это приводит к тому, что в контуре, настроенном на частоту входного сигнала, происходит компенсация потерь аналогично ПУ с "отрицательным” сопротивлением. Последнее обусловливает нестабильную работу преобразователя, так как в схеме возможен режим ра­ боты, при котором за счет энергии генератора накачки в контуре будут суще­ ствовать колебания на частоте / даже при отключенном источнике сигнала.

Теоретическое выражение для коэффициента усиления по мощности полу-

контура сигнала и выходного контура. Из приведенного выражения следует, что при определенном выборе величины а , близкой к единице, коэффициент усиления ПУ может быть весьма велик, однако устойчивость его работы при этом невысока.

При удалении от области нестабильной работы полоса пропускания на

тельным” сопротивлением наличием множителя перед третьим членом ( т / т кр). В усилительном режиме т < ткр , поэтому коэффициент шума неста­ бильного повышающего преобразователя может быть меньше коэффициента шума двухконтурного усилителя с "отрицательным” сопротивлением (см.

(5.41)).

Следует заметить, что рассмотренные схемы и режимы не исчерпывают всех возможных вариантов параметрических усилителей и преобразователей. В качестве примера приведем общие сведения о некоторых других направле­ ниях в технике параметрического усиления.

В последнее время широко применяются усилители с "низкочастотной на­ качкой”, так как для диапазона сантиметровых и особенно миллиметровых волн создание генератора накачки, работающего на более высоких частотах, затруднительно. В случае Низкочастотной накачки” для параметрического эф­ фекта используется одна из гармоник относительно низкочастотного колеба­ ния, генерация которого осуществляется одним из простых и доступных мето­ дов.

Недостаточная в ряде случаев полоса пропускания ПУ (особенно регенера­ тивного вида) вызвала необходимость разработки более широкополосных схем, например схем, работающих в режиме сверхгенерации. В этом случае в ПУ возбуждаются прерывистые колебания с частотой а>н В соответствии с теорией сверхгенеративного усиления полоса пропускания оказывается шире, чем при обычной регенерации. Следует иметь в виду, что сверхрегенеративные ПУ имеют больший коэффициент шума.