3.2.4. Режим оптимального рассогласования при заданной полосе пропускания

Режим обеспечивается выбором коэффициента включения транзистора и коэффициента включения источника сигнала , в колебательный контур на входе СУ. В этом режиме при заданной полосе пропускания реализуется минимальный коэффициент шума усилителя. Коэффициенты включения выбираются по формулам

.

,

где (если в СУ используется полевой транзистор)

,

при этом коэффициент шума Ш вычисляется по выражению

.

В диапазоне частот 0.3÷10 ГГц для расчета транзисторных усилителей используются матрицы рассеяния . S-параметры связывают падающие a_i и отраженные b_i - волны, которые выражаются через комплексные амплитуды токов и напряжений İ_i и Ů_i на зажимах транзистора

;

где W₀ − характеристические сопротивления стандартных линий передачи, подключаемых ко входу (i = 1 )и выходу транзистора (i = 2).

Уравнения, связывающие падающие и отраженные волны, записываются в виде

,

.

Обычно S-параметры представляются в показательной форме , где |S_ij|− модуль соответствующего параметра, а φ_ij – фаза в градусах.

В зависимости от значений S-параметров транзистор может находиться в области потенциальной устойчивости (ОПУ), либо в области безусловной устойчивости (ОБУ). В ОБУ транзистор устойчив при подключении к нему произвольных сопротивлений со стороны входа и со стороны выхода. Условие нахождения транзистора в ОБУ записывается в виде

,

где k_у− инвариантный коэффициент устойчивости,

.

Если транзистор находится в ОПУ, то его переводят в ОБУ путем подключения стабилизирующих резисторов.

Обычно СУ СВЧ работают в одном из двух режимов: режиме экстремального усиления, либо режиме, реализующем минимальный коэффициент шума. Режимы работы СУ обеспечивается выбором входных и выходных согласующих цепей, которые включаются между источником сигнала и входом транзистора, выходом транзистора и нагрузкой.

В режиме экстремального усиления реализуется максимальный коэффициент передачи СУ по мощности. При этом

.

Для реализации этого режима необходимо выполнить условия согласования соответствующих импедансов сопротивлений транзистора, как со стороны его входа, так и со стороны выхода.

3.2.5. Параметрические усилители

Активным элементом параметрического усилителя (ПУ) является нелинейная емкость перехода параметрического диода . Величина этой емкости зависит от приложенного к диоду напряжения u. Усиление сигнала в ПУ осуществляется за счет передачи энергии вспомогательного генератора, называемого генератором накачки, входному сигналу с помощью периодически изменяющейся емкости , изменения которой обусловлены воздействием напряжения генератора накачки на параметрический диод. Передача энергии эквивалентна внесению во входной контур усилителя, настроенного на частоту усиливаемого сигнала f _с , отрицательного сопротивления, что приводит к регенеративному характеру процесса усиления.

В настоящее время из всех разновидностей ПУ в диапазоне СВЧ применяют в основном двухчастотные регенеративные параметрические усилители. В этих ПУ наряду с сигналом накачки с частотой f_н используют сигнал на холостой частоте f_х = f_н – f_с , возникающий при взаимодействии входного сигнала и периодически изменяющейся емкости . .

В зависимости от соотношения частот f_х и f_с различают два вида двухчастотных ПУ: двухконтурный (ДПУ) и одноконтурный (ОПУ). В ДПУ частоты f_х и f_с значительно отличаются, так что для их выделения в усилителе имеются отдельные контуры, причем холостой контур не имеет связи с входом, который также является и выходом усилителя. На рис. 6 изображена эквивалентная схема ДПУ. Параметрический усилитель работает на отражение и поэтому использует ферритовый циркулятор (с волновым сопротивлением W) для разделения входного и выходного сигналов.

Входной сигнал P_{с вх}, подводимый через циркулятор к ПУ в виде падающей волны, возбуждает отраженную волну сигнала P_{с вых}, мощность которой в результате усиления превышает мощность падающей в раз. К первому плечу циркулятора (Ц) подключены: реактивные четырехполюсники и , трансформирующие сопротивления источника сигнала W и сопротивление генератора () накачки R_г к клеммам полупроводниковой структуры диода, фильтры , , , пропускающие только частоты f_с, f_х, f_н , параметрический диод с нелинейной емкостью и эквивалентным сопротивлением потерь r и генератор накачки (). К третьему плечу циркулятора подключена нагрузка . Минимальная шумовая температура параметрического усилителя определяется выбранной величиной K_p и динамической добротностью диода

,

где ,

,

f_кр − критическая частота диода.

Критическая частота диода представляет собой такую частоту сигнала, до которой одноконтурный параметрический усилитель, собранный на этом диоде, может усиливать входной сигнал, т.е. обеспечивать . Величина f_кр определяется типом диода и режимом его работы и может быть оценена по выражению

,

где − коэффициент модуляции емкости диода,

,

, u_{нор.обр} , - параметры диода:

− контактная разность потенциалов полупроводниковой структуры,

u_{нор.обр} − нормируемое обратное напряжение

τ(u₀) − постоянная времени диода при выбранном напряжении смещения u₀.

Оптимальные значения холостой частоты и частоты накачки, при которых шумовая температура ПУ минимальна, могут быть рассчитаны по выражениям

,

.

Минимальный коэффициент шума ПУ (ПУ с идеальным циркулятором без потерь) определяется как

.