Учебники / РПрУ Палшков (1) (1)

другие кристаллы позволяют получить индуцированное излучение и, следовательно, реализовать усиление сигнала частот от сотен мегагерц до частот видимого электромагнитиого излучения Изменения частоты настройки усилителя до- биваются регулировкой разности энергетических уровней изменением постоянно- го магиитного поля, в котором иаходится кристалл активного вещества)

Структурная схема квантово-механического усилителя на кристалле рубина изображена на рис 428

Усилитель состоит из циркулятора, обеспечивающего однонаправленный переход сигнала от антенны к нагрузке, и квантово механического усилительнога,

типа отрицательного сопротивления} Этот процесс и определяет усиление сигнала

Указанное свойство квантово-механического прибора можно оценить отрицагсльной входной проводимостью

В активном веществе прибора существуют хаотические переходы от одного энергетического уровня к другому, создающие шумовое возбуждение резонатора. Кроме того, тепловое движение зарядов в стенках резонатора вызывает

< помощью криогенных устройств. Это позволяет получить коэффициент шума

этого четырехполюсника всегда меньше единицы и лишь в отсутствие потерь Кр стремится к единице.

Известно, что коэффициент шума пассивной цепи равен обратной величине коэффициента усиления мощности [см. формулу (33а)].

Допустим, что приемник имеет коэффициент шума Кш пр. Этот приемник подключен к антенне через фидер, имеющий коэффициент передачи мощности

101

Учитывая (3.3,а), получаем Кно=Жиш пр/Кр.

Таким образом, увеличение потерь в фидере вызывает соответствующее

увеличение коэффициента шума приемного устройства.

Если, например, потери в фидере составляют 0,1 дБ, что соответствует Кр=0,977, то коэффициент шума системы увеличивается в ИКр=1,023 раза. Шумовая температура входа приемника, работающего с фидером,

Тарф= То(Кшо— 1) = То (Ки ир/Кр-— 1] = (То/Кр) (Киир-— Кв). (4.108)

АТ@^ 293 КИ ‚023— 1,=7К.

Таким образом, потери в фидере в 0,1 дБ увеличивают шумовую температуру входа на 7 К. С увеличением потерь в фидере увеличивается шумовая температура входа приемника. Поэтому усилия по созданию малошумящего радиоприемника могут ие привести к улучшению реальной чувствительности прнемного устройства из-за потерь в фидере.

По указанной причине квантовые и любые другие малошумящие усилители устанавливают непосредственно у самой антенны. Соединение этого усилителя с остальной частью приемника, осуществляемое фидером, не приводит к увели-

охлаждения применяют двойное криостатирование. Внешнюю область устройства охлаждают жидким азотом, а внутреннюю — жидким гелием. Устройства на основе сосудов Дьюара требуют периодической перезарядки соответствующими охладителями. На стационарных объектах могут быть использованы аппараты замкнутого цикла, не требующие перезарядки. Первые из указанных охлаждающих устройств имеют относительно малые габаритные размеры и массу (около 10 дмЗ при массе около 10 кг); вторые пока отличаются большими массой, габаритными размерами и потреблением энергии (свыше 1,5 кВт).

4.10. Резонансные усилители в интегральном исполнении

Производство радиоэлектронной аппаратуры, основанное на использоваиии ннтегральных узлов, отличается высокой степенью повторяемости ее параметров и высокой надежностью эксплуатации. Интегральное исполнение резонаисных усилителей требует решения задачи создания избирательных цепей с фиксированной и переменной настройками.

102

Более простой является реализация избирательных цепей с фиксированной настройкой. В диапазоне УКВ, где возможно использование элементов с распределенными параметрами, избирательные системы выполняют в виде отрез-

ков Полосковых симметричных и несимметричных линий. Эти резонирующие си-

стемы могут выполняться в соответствующих средах (и>[Ги #>1), обеспечивающих уменьшение габаритных размеров цепей. В верхней части УКВ диапазона находят применение колебательные цепи в виде плоских спиральных катушек индуктивности и конденсаторов, изготовляемых на общей основе с рези-` сторами и активными элементами в едином технологическом процессе.

На более длинных волнах для создания высокодобротных избирательных цепей требуются элементы с ббльшими индуктивностями. Известно, что активная проводимость избирательной цепи при заданной полосе пропускания ие зависит от ее частоты настройки. Для одиночного контура соотношение связи между Яки АЕ, может быть представлено в виде

Для сохранения постоянной величины Як, определяющей коэффициент усиления избирательного усилителя, необходимо сохранять одинаковой емкость контура. При этом характеристическое сопротивление контура рк=/2лрСк должно увеличиваться с уменьшением частоты настройки. ”

Индуктивность, определяющая настройку контура, [к = 1/47? В Сь.

Отсюда следует, что для уменьшения частоты настройки цепи при Сь=сопз{ необходимо увеличивать индуктивность Гк. На низких радиочастотах требуемые индуктивности оказываются порядка единиц и десятков миллигенри. В связи © этим при построении резонансных усилителей на линейных элементах используются навесные индуктивности, подключаемые к соответствующим точкам ин-

2УС 357, используемого в качестве однокоитурного резонансиого усилителя с фиксированной настройкой.

103

104

Для повышения степени интеграции узлов радиоприемников изыскиваются пути реализации индуктивных элементов на основе

использования ЮС-цепей. Эти устройства в качестве двухполюс-

ника осуществляют необходимый фазовый сдвиг между требуе-

мым потребляемым током и приложенным напряжением. Реактивное сопротивление характеризуется тем, что фазовый

сдвиг между током Г и приложенным к двухполюснику напряже-

чить фазовый сдвиг, близкий к л/2,

между напряжением, подведенным к выходным зажимам активного прибора 0, и его напряжением возбуждения Ох.

В качестве фазосдвигающей цепи практически применяют про-

стейщие ЮС-двухполюсники, хотя можно применять потенциомет- ры, составленные из элементов К и Г.

Обратим внимание на несомненные преимущества использования ЮС-цепей в интегральных микроузлах по сравнению с АЮ/Г-

цепями, поскольку выполнение индуктивностей оказывается затруднительным.

Рассмотрим количественные характеристики двухполюсника,

щих тока).

Определим эквивалентное сопротивление двухполюсника

2 =0/1. (4.112)

ь

Ток [ является суммой токов [. стока транзистора и Г, фазо- сдвигающей цепи:

= 1 где (= У. 0ьх; 1=О/(В--ИюС) =юС0/(1-НюВС).

105

Добротность @, зависит от частоты ® так, что при малых © она увеличивается с увеличением частоты, а при больших ® уменьшается с увеличением частоты. Существуе! оптимальная рабочая частота @опт, при которой добротность максимальна.

Дифференцируя (4.115) по ® и приравнивая результат нулю, получаем

реактивного транзистора можно получить при больших значениях

произведения У21Ю. Добротность, близкую к нескольким десят- кам единиц, можно реализовать лишь при УзА порядка 10 и более. Эта максимальная добротность будет получена на радио-

Отсюда следует, что эквивалентная индуктивность определяется постоянной времени фазосдвигающей цепи КС и крутизной транзистора У. Изменяя режим транзистора по постоянному току так, чтобы изменялась крутизна транзистора, можно регулиро-

вать индуктивность.

Как указывалось ранее, цепи, содержащие элементы АС и транзисторы, легко выполняются в едином технологическом про-

цессе. Поэтому реализация индуктивности с помощью ЮС-тран-

зисторных структур является перспективной.

Моделирование реактивных элементов избирательных цепей

используется при работе цепи в широком диапазоне частот.

Прн работе избирательных устройств на относительно низких частотах, когда паразитными параметрами ЮС-цепей можно пре-

106

небречь, применяются усилители с частотно-зависимым коэффициентом передачи цепи обратной связи, изученные в курсе «Усилительные устройства». Подробные расчетные соотношения для

Следует, однако, подчеркнуть, что активные ЮС-фильтры, ис- пользующие усилительные приборы, перегружаются сильным сигналом и помехами. Характеристики реальной избирательности этих цепей зависят от уровня сигнала и помех. Таким усилителям в большей степени свойственны рассмотренные ранее нелинейные явления: блокирование, перекрестные искажения и вторичная модуляция. Указанное обусловлено ограниченной избирательностью

цепи при больших расстройках (Кв=1). Поэтому активные АСфильтры находят применение в условиях относительно малого

уровня сигнала и помех.

При действии большого уровня помех и широких пределах изменения уровня входных сигналов следует применять усилители с линейными избирательными цепями, размещая эти цепи возможно ближе к входу усилительного тракта.

5.Преобразователи частоты

ипараметрические усилители

®

5.1. Назначение и классификация

Преобразователь частоты представляет собой устройство для переноса спектра сигнала в другую область частот с сохранением закона модуляции. Поэтому в преобразователе частоты обязательно используются нелинейный прибор или прибор с изменя-

ющимся параметром и местный гетеродин, обеспечивающий из- менение режима преобразующего прибора с частотой гетеродина.

В выходном токе нелинейного или параметрического прибора возникает множество комбинационных колебаний. Выделение же-

тели частоты можно разделить на резистивные и реактивные. Из реактивных преобразователей наибольшее распространение полу-

чили емкостные, так как они имеют высокие электрические пока-

затели при достаточной простоте выполнения.

В зависимости от типа прибора, используемого для преобразования частоты, преобразователи разделяются на ламповые и по-

лупроводниковые.

В зависимости от числа электродов, имеющихся в преобразующем приборе, различают диодные, триодные и многоэлектродные преобразователи частоты. Триодные и многоэлектродные преобразователи частоты позволяют уменьшить связь цепей сигнала и гетеродина при подаче колебаний с частотами сигнала и гетеро-

входного сигнала. Эта зависимость определяется как характеристикой избирательности системы, включенной на выходе преобразующего прибора, так и характеристикой нелинейности последнего. Для оценки усилительных свойств преобразователя при точ-

ной настройке используют резонансный коэффициент усиления преобразователя, равный отношению комплексной амплитуды выходного напряжения преобразователя при точной настройке к

комплексной амплитуде входного напряжения сигнала:

Линейные искажения сигнала характеризуются неравномерностью коэффициента усиления в необходимой полосе спектра сиг-

нала и нелинейностью фазовой характеристики.

Определение этих показателей не отличается от определения аналогичных показателей избирательных усилителей. Следует,

однако, подчеркнуть, что в преобразователе частоты эти искаже-

ния дает фильтр, настроенный на промежуточную частоту. Нелинейные эффекты в преобразователе частоты характери-

зуют величинами, используемыми для аналогичных оценок в избирательных усилителях, а именно: нелинейностью амплитудной характеристики, коэффициентом блокирования сигнала, коэффи-

циентом перекрестных искажений, коэффициентом взаимной моду-

ляции и коэффициентом вторичной модуляции.

В преобразователе частоты возникают специфические нелиней-

ные эффекты, определяемые наличием сильных колебаний с часто- той гетеродина. К этим эффектам относятся побочные каналы

приема и свисты, сопровождающие прием полезного сигнала. Побочные каналы приема характеризуются значениями их частот и

.уровнем выходного напряжения, создаваемого соответствующим каналом приема.

Избирательность преобразователя частоты в области расстро- ек А/<0,5}, определяется характеристиками фильтра, вжлючен- ного на выходе преобразующего прибора, и может быть оценена

его коэффициентами прямоугольности Кпо,1, Кло,01, ^о,001. Устойчивость работы преобразователя в смысле постоянства

характеристик определяется не только свойствами преобразующего прибора и избирательной цепи, но и свойствами гетеродина. Что касается удаленности от самовозбуждения, то преобразова-

тель частоты представляет собой устройство, выходные и входные Цепи которого настроены на значительно отличающиеся ча-

стоты ( и р), и поэтому непосредственно емкостная либо индуктивная связь этих цепей обычно не опасна. Существенное сни-

жение стабильности показателей характерно для регенеративного режима, который используется в преобразователе частоты на тун-

нельном диоде и емкостном преобразователе частоты, работаю-

щем с инверсией спектра.

Перекрытие заданного диапазона частот определяется возможностью перестройки гетеродина в пределах заданного диапазона и постоянством его характеристик в этих условиях.

5.3. Общая теория преобразования частоты. Параметры преобразователя

Теоретические положения общего подхода к анализу преобразователей частоты подготовлены обстоятельными исследова-

ниями, выполненными Л. Б. Слепяном [18], Л. С. Гуткиным [19] и В. И. Сифоровым [29].

щий прибор, или прибор с переменными параметрами, линейной эквивалентной схемой.

Рассмотрим основные положения общей теории преобразования частоты. Преобразующий прибор можно представить в виде

нелинейного шестиполюсника, имеющего три пары зажимов

109

(рис. 5.2). К зажимам 1—1 подводится напряжение сигнала с комплексной амплитудой Оше; к зажимам 3—8 подводится напря-

тате этого изменения появляются комбинационные колебания, в частности напряжение

сигнала Ис создает в нагрузке ток Ш с промежуточной частотой 1 =/К—№. Кроме того, при совместном действии на зажимах ще- стиполюсника колебания гетеродина и колебания с промежуточной

частотой возникают комбинационные колебания вида к +|. Одно

из этих колебаний, в данном случае с суммарной частотой р-Н[ь, имеет частоту, равную частоте сигнала р-р=Ь-к—Р=|. Если

преобразующем приборе существует обратная проходная проводимость, которая также изменяется с частотой гетеродина, то на входе появится составляющая тока с частотой сигнала, определяемая эффектом обратного преобразования частоты, т. е. эффектом преобразования колебания с промежуточной частотой в коле-

бание с частотой сигнала.

Комплексные амплитуды токов Риш, Бис Нелинцейно зависят от амплитуд напряжений Оп, Отс:

Однако при малых О, Отн указанные зависимости Гип, [ис можно аппроксимировать линейными функциями вида

линейного шестиполюсника по отношению к источнику сигнала (5.6) и по отношению к нагрузке (5.5), не зависящие от характеристик источника сигнала и нагрузки, и поэтому являются па-

раметрами преобразователя.

Формально уравнения (5.5) и (5.6} совпадают с уравнениями линейного четырехполюсника, описывающими свойства усилительного прибора в режиме малого сигнала. Аналогично определению малосигнальных параметров усилительного прибора найдем параметры преобразователя частоты. Замкнем выходные зажимы

110