Параметричне збудження і посилення електричних коливань

Параметр і чеський возбужд е ня і підсил е ня електро і чеських колеб а ний, метод збудження і посилення електромагнітних коливань, в якому посилення потужності відбувається за рахунок енергії, що витрачається на періодичну зміну величини реактивного параметра (індуктивності L або ємності С) коливальні системи. На можливість використання параметричних явищ для посилення і генерації електричних коливань вперше вказали Л. І. Мандельштам і Н. Д. Папалексі , Проте практичне застосування параметричний метод знайшов лише в 50-і рр. 20 в., Коли були створені параметричні напівпровідникові діоди з керованою ємністю і розроблені малошумливі параметричні підсилювачі СВЧ.

Розглянемо принцип параметричного посилення і генерації на прикладі простої системи - коливального контуру , Що складається з постійних опору R, індуктивності L і ємності С, яка періодично змінюється у часі (рис. 1). При резонансі ( , Де w з - частота підсилюється сигналу, w 0 - власна частота контура) заряд q на обкладках конденсатора змінюється за законом:

q = q 0sin wc t = CQE 0sin wc t. (1)

Тут E0 - амплітуда сигналу, - добротність контуру. Електростатична енергія W, що запасається в конденсаторі, дорівнює:

W = (q 2/2 C) = (q 20/4 C) (1-cos 2 wc t). (2)

З (2) видно, що W змінюється з частотою, рівній подвоєній частоті сигналу. Якщо в момент, коли q = q 0, ємність конденсатора С стрибком змінити на D С (наприклад, розсунути пластини конденсатора), то заряд q не встигне змінитися, а енергія W зміниться на величину (якщо D З / С << 1):

D W = - W D C / C. (3)

Звідси випливає, що результуюче збільшення енергії в контурі при періодичній зміні З максимально, якщо зменшувати ємність в моменти, коли q максимально, а повертати величину ємкості до початкового значення при q = 0. Це означає, що якщо змінювати С з частотою w н = 2 wс і з певною фазою (рис. 2), то пристрій, змінює с, як би «накачує енергію» в контур двічі за період коливань. Якщо, навпаки, збільшувати С моменти мінімальних значень q, то коливання в контурі будуть послаблюватися. У більш загальному вигляді умова ефективної накачування має вигляд: w н = 2 wс / n, де n = 1, 2, 3, ... і т.д. При n = 1 З змінюється кожні чверть періоду сигналу (Т с / 4), при б про льшіх n- через час, рівне nT c / 2.

Найпростіший одноконтурний параметричний підсилювач зазвичай є коливальну систему, де ємність С змінюється в результаті впливу гармонійної напруги від генератора накачування на напівпровідниковий параметричний діод, ємність якого залежить від величини прикладеного до нього напруги. Конструктивно параметричний підсилювач СВЧ є «хвилеводний хрест» (рис. 3); по одному з хвилеводів (див. радіохвилевід ) Поширюється. підсилюваний сигнал, інакше - сигнал накачування. У перетині волноводов поміщається параметричний діод. Коефіцієнт посилення по потужності приблизно дорівнює:

, (4)

де m = (С макс - З хв) / (С макс + З хв) називається глибиною зміни ємності. При (m / 2) Q ® 1 коефіцієнт посилення необмежено зростає, при (m / 2) Q ³ 1 система перетворюється в параметричний генератор (див. Параметричне збудження коливань ). Основний недолік одноконтурного параметричного підсилювача - залежність До вус від співвідношення між фазами підсилюється сигналу і сигналу накачування.

Цього недоліку немає у параметричних підсилювачів, що містять два контури і більше (рис. 4). У двоконтурних параметричної підсилювачі частота і фаза коливань в другому ( «холостому») контурі автоматично встановлюються так, щоб задовольнити умовам ефективної накачування енергії. Якщо холостий контур налаштований на частоту (w2 = w н - w с, то енергія накачування витрачається на посилення коливань в обох контурах. У цьому випадку K ~ і при підсилювач перетворюється в генератор. Такий підсилювач називається регенеративним. Якщо посилений сигнал знімається з другого контура регенеративного підсилювача, то підсилювач є також і перетворювачем частоти. При w 2 = w н + w з вся енергія накачування і енергія, накопичена в сигнальному контурі, переходять в енергію коливань сумарної частоти w н + w с. Такий параметричний підсилювач називається нерегенеративного підсилювачем-перетворювачем. Він стійкий при будь-якому m і має широку смугу пропускання, але володіє малим До вус.

Крім періодичної зміни ємності за допомогою параметричних діодів, застосовуються і ін. Види параметричного впливу. Періодична зміна індуктивності L здійснюють, використовуючи зміна еквівалентної індуктивності у феритів і надпровідників. Періодична зміна ємності С отримують, використовуючи залежність діелектричної проникності діелектриків від електричного поля, структури метал - оксид - напівпровідник (поверхневі варактори) і ін. Методами (див. криоелектроніка ). В електронно-променевих параметричних підсилювачах використовуються нелінійні властивості електронного променя, модульованого за щільністю.

Поряд з резонаторними параметрическими підсилювачами застосовуються параметричні підсилювачі біжучої хвилі. Електромагнітна хвиля сигналу, поширюючись по волноводу, послідовно взаємодіє з кожним з розташованих на шляху параметричних діодів (або ін. Нелінійних елементів).

Ємність діодів змінюється за рахунок підводиться до резонаторам енергії накачування. При правильно підібраних частотах, довжинах хвиль і напрямку поширення хвиль накачування і сигналу посилення сигналу експоненціально наростає в міру його поширення уздовж ланцюжка діодів (рис. 5). У параметричних підсилювачах біжучої хвилі можна отримати смугу частот, що досягає 25% несучої частоти (у резонаторних - кілька%).

Літ .: Мандельштам Л. І., Полн. зібр. праць, т. 2, М.- Л ,, 1947; Еткин В. С., Гершензон Е. М., Параметричні системи СВЧ на напівпровідникових діодах, М., 1964; Регенеративні напівпровідникові параметричні підсилювачі (деякі питання теорії і розрахунку), М., 1965; Каплан А. Е., Кравцов Ю. А., Рилов В. А., Параметричні генератори і подільники частоти, М., 1966; Лопухін В. М., Рошаль А. С., Електроннопроменеві параметричні підсилювачі, М., 1968.

В. І. Зубков.

Мал. 4. Схема двоконтурного параметричного підсилювача.

Мал. 2. Зв'язок між зміною напруги на ємності і зміною величини ємності: а) напруга підсилюється сигналу на конденсаторі, коли величина ємності не змінюється; б) збільшення напруги сигналу на конденсаторі в процесі параметричного підсилення; в) зміна ємності в процесі параметричного підсилення; Тс і Тн - періоди коливань підсилюється сигналу і сигналу накачування.

Мал. 1. Контур з періодично змінюється ємністю С. Величина ємності дорівнює C0, коли пластини конденсатора зрушені (суцільні лінії), і C1, коли вони розсунуті (пунктир).

Мал. 3. Одноконтурні параметричні підсилювачі.

Мал. 5. Параметричний підсилювач хвилі, що біжить.