книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот
..pdfметрических усилителях), рубина, этилсульфат гадоли ния, гексацианида кобальта или другого парамагнитно го кристалла *, помещенных в резонатор.;
—генератор подкачки**, имеющий стабильность ча стоты порядка 10~s;
—ферритовые вентили на входе и выходе для усили
телей проходного типа или циркулятор для усилителей отраженного типа [26, 27].
Рис. 5.16 Блок-схе ма параметриче ского и квантового усилителей бе гущей волны.
Дополнительными элементами конструкции парамет рических и квантовых усилителей являются охлаждаю щие (криогенные) системы, которые в большинстве слу чаев обязательны для .квантовых параметрических уси лителей и иногда применяются для параметрических по лупроводниковых усилителей с целью понижения уров ня шумов.
Для работы парамагнитных усилителей также необ ходимы постоянные магниты. Для исключения попада ния колебаний генератора подкачки в тракт приемника обычно вводятся фильтры.
На рис. 5.16 приведена блок-схема другой разно видности параметрических и квантовых усилителей, на зываемых усилителями бегущей волны. Это усилители с однонаправленным усилением, поэтому их можно при менять без внешних вентилей и циркуляторов. Возмож но, что в будущем этот вид усилителя будет наиболее распространенным в силу более высоких его технических
*В большинстве парамагнитных веществ, помещенных в по стоянное магнитное поле, ноны в кристалле способны взаимодей ствовать с СВЧ магнитным полем. При этом их эффективность взаимодействия увеличивается по мере понижения температуры.
**Широко стал применяться термин «генератор накачки».
252
данных (особенно широкой полосы пропускания) и большего удобства в эксплуатации, несмотря на повы шенные трудности в изготовлении основных элементов усилителя.
Особенностью усилителей бегущей волны является то, что колебания от генератора подкачки должны вво диться в волиоведущую структуру, в которой расположе ны полупроводниковые диоды или активное вещество, таким образом, чтобы фазовые соотношения обеспечива ли рост амплитуды электромагнитной волны вдоль вол новода усилителя.
Среди резонаторных полупроводниковых параметри ческих усилителей имеется много разновидностей, свя занных с различным способом образования нелинейной реактивности, соотношением частот генератора подкачки и сигнала, видом колебательной системы. Наиболее рас
пространенные виды этих |
усилителей |
приведены |
в табл. 5.4. |
простейших |
конструк |
Схематическое изображение |
ций полупроводниковых параметрических усилителей и
квантового |
|
усилителя показаны на рис. 5.17 и 5.18 |
[28, 29, 30, |
25]. |
|
Основными параметрами и характеристиками пара |
||
метрических |
и квантовых усилителей являются: |
—рабочий диапазон частот;
—коэффициент шума или шумовая температура;
—коэффициент усиления;
—полоса пропускания;
—произведение корня квадратного из коэффициента
усиления на полосу пропускания;
—амплитудная характеристика; —.устойчивость (стабильность) работы;
—частота подкачки;
—мощность подкачки.
Для полупроводниковых параметрических усилителей дополнительными характеристиками могут служить на пряжение смещения для диодов и температура охлажде ния, а для квантовых — напряженность постоянного магнитного поля и температура охлаждения.
Рабочий диапазон, в котором могут быть выполнены параметрические полупроводниковые усилители, пере крывается от метровых волн до коротковолновой части сантиметровых волн. Принципиально подобные усилите-
253
Т а б л и ц а 5.4
Распространенные виды полупроводниковых
параметрических усилителей |
||
|
Соотношение |
|
|
частот: |
|
Вид у^мителп |
сигнала fBX. |
Характерная особенность |
подкачки /„ и |
выходногоfBUXсиг нала
Регенеративный с высокочастотной подкач кой
Регенеративный с т « - кочастотной подкачкой
Сверхрегенеративиый с высокочастотной под качкой
Преобразовательный с преобразованием часто ты вверх
Преобразовательный с преобразованием часто ты вниз
In^ |
Гх |
Простота устройства, |
||||
возможность |
осуществ |
|||||
|
|
ления во |
всем |
диапазо |
||
faux =fox |
не частот |
|
|
|
||
Высокие требования к |
||||||
ftt<Cfox |
генератору |
подкачки, |
||||
|
|
компактность |
устрой |
|||
faux— fвх |
ства |
|
|
|
|
|
Большой коэффициент |
||||||
fn>fnx |
усиления |
|
|
|
||
faux —fи + fax |
Малый |
коэффициент |
||||
fn |
fox |
шума, большое усиление |
||||
|
|
при широкой полосе про. |
||||
|
|
пускания, |
высокая |
ста |
||
faux = fn— fax |
бильность |
|
|
|||
Весьма |
большое |
зна |
||||
fn> |
fox |
чение |
произведения |
ко |
||
|
|
эффициента усиления па |
||||
|
|
полосу |
пропускания и |
|||
|
|
возможность |
подачи |
|||
|
|
сигнала |
непосредствен |
|||
|
|
но на смесительный де |
||||
|
|
тектор приемника |
|
ли могут быть осуществлены и в миллиметровом диапа зоне волн.
Квантовые усилители не имеют ограничений в сто рону коротких и сверхкоротких длин волн, вплоть до световых длин волн. Со стороны длинных волн практи ческие трудности при конструировании квантовых уси лителей начинаются с дециметровых волн.
Коэффициент шума малошумящих усилителей опре деляется собственными шумами -нелинейных элементов, помещенных в колебательную цепь, потерями в передаю щих линиях, вентилях и циркуляторе.
В полупроводниковых параметрических усилителях частотный диапазон и уровень шумов полностью опреде ляются полупроводниковыми диодами.
254
ПопноЫ
Подкачка
Рис. 5.17. Схематическое изображение полупроводниковых парамет рических усилителей регенеративного типа (а и б — резонаторные сантиметрового « дециметрового диапазонов соответственно, в —
бегущей волны).
Критическая частота, выше которой не представляет ся возможным получить усиление, определяется выраже нием [31]
f* — ГНДГ- |
(5-9) |
|
где С0— среднее значение |
емкости перехода; |
|
Ra— последовательное |
сопротивление |
полупровод |
никового диода (рис. 5.19,а);
т— максимальная глубина модуляции емкости пе рехода.
255
Рис. 5.18. Схематическое изображение квантового усилителя резонаторного типа.
С,п$
Рис. 5.19. Эквивалентная схема полупроводникового диода и зависимость нелинейной емкости от напряжения смещения.
256
Последняя величина в значительной i\iepe зависит от положения рабочей точки на вольтамперной характери стике диода, т. е. зависит от напряжения смещения на диоде. Одна из практических зависимостей нелинейной емкости от напряжения смещения показана на рис. 5.19,6 [32].
Величина Rs составляет около 0,8—5 ом [33] и опре деляет в основном шумы усилителя. По этой причине с целью ослабления влияния Rs для уменьшения уровня шумов параметрического усилителя диоды дополнитель но охлаждаются.
Для квантовых усилителей минимальный уровень шу ма определяется выражением [24]
|
|
|
<5Л0> |
где Тпрсд— предельная |
температура |
шума, °К: |
|
f — частота, гц\ |
Планка ( ~ |
6,62 • 10-34 дж сек) ; |
|
к — постоянная |
|||
/г — постоянная |
Больцмана |
( — 1,38 • 10—3 |
джХ |
Хград-1). |
|
|
|
Отсюда следует, что предельный уровень |
шумов |
собственно квантового усилителя, точнее активного ве |
|
щества |
в резонаторе, очень низок и соответственно на |
длинах |
волн составляет: 10 см — 0,05° К; 3 см — 0,15° К; |
1 см — 1,5° К и 1 мм — 4,8° К. |
Практически шумы квантового усилителя значитель но выше за счет теплового излучения, в основном, сте нок резонатора (при использовании охлаждения жидким гелием эффективная температура составляет 2—4° К) и потерь в линиях передачи ( ~ 3 —6° К).
Коэффициент усиления kyc и полоса пропускания Д/ параметрических и квантовых усилителей взаимосвязаны между собой, поэтому может быть введен обобщенный
параметр в виде произведения V kycLf. Для некоторых видов усилителей его величина является постоянной и не зависит от мощности подкачки, хотя отдельно kYQ и Дf
претерпевают изменения. |
___ |
Увеличение значения параметра |
|/£ усД/ в параметри |
ческих усилителях достигается выбором схемы и кон струкции, а в квантовых — только активным (парамаг-
17— 124 |
257 |
нитным) веществом. При измеггеиии режима работы уси лителя, например, при увеличении мощности подкачки, может быть достигнуто значительное увеличение коэф фициента усиления при соответствующем уменьшении полосы пропускания. Однако чрезмерное увеличение уси ления приводит к неустойчивому' состоянию усилителя
. и даже к самовозбуждению.
Использование различных квантовых переходов для накачки позволяет получить высокие значения коэффи циента усиления в квантовых усилителях. В работе [35] исследована зависимость коэффициента усиления пара магнитного усилителя бегущей волны на рубине от раз личных режимов накачки, концентрации ионов хрома в кристалле и температуры. При этом показано, что при гелиевых температурах (~ 2 °К ) коэффициент усиления (без учета потерь в феррите и замедляющей системе) может достигать 30—40 дб.
Важные свойства, которые необходимо учитывать при применении малошумящих усилителей, связаны с их ра ботой при попадании на вход усилителя сигналов боль шой мощности, что имеет место при работе приемника и передатчика на одну антенну или при попадании на вход приемника сигналов от вблизи расположенных источников излучения.
В параметрических усилителях амплитудная харак теристика линейна при больших перепадах входных сиг налов, т. е. их динамический диапазон по усилению ве лик и может быть расширен за счет повышения мощно сти подкачки. Опасными для работы усилителей явля ются сигналы, способные привести к полному или частич ному понижению добротности полупроводникового диода.
В этом отношении кватовые усилители значительно уступают параметрическим. При попадании на вход сигналов даже незначительной мощности коэффициент усиления падает до нуля и усилитель медленно восста навливает свою чувствительность. Например, кристаллы рубина насыщаются при мощности сигнала около 0,02 мквт, а время восстановления достигает 0,1 сек. Значительно лучшие результаты получены на кристал лах гадолиния, а именно, при мощности насыщения около 2 мет время восстановления составляет 20 мксек [24].
258
Технические данные по промышленным и эксперимен тальным образцам полупроводниковых параметрических и квантовых (парамагнитных) усилителей, обобщенные по опубликованным отечественным и иностранным источ никам, приведены в табл. 5.5 и 5.6 и показаны на диа грамме рис. 5.20 [17—20, 28—33] и 5.21 [23—25, 35, 36].
|
|
|
|
Т а б л и ц а 5.5 |
||
Технические |
данные полупроводниковых |
параметрических |
||||
|
усилителей |
|
|
|
||
|
|
|
Параметры |
|
|
|
Диапазон |
f BX, Мгц |
|
|
8 |
8 |
5 |
|
h |
с.h ч |
|
|||
|
|
|
|
|||
|
|
|
•** |
< |
||
|
|
-Г5 |
|
|||
|
214 |
150 |
10 |
2,5 |
8 |
2,5 |
|
220 |
800 |
10 |
1,5 |
13 |
0,5 |
|
400 |
900 |
3,5 |
10 |
100 |
|
|
500 |
1 700 |
10 |
1 |
20 |
5 |
200—2 000 Мгц |
500 |
9 000 |
50 |
1,2 |
18 |
5 |
1 000 |
3 000 |
2 - 4 |
15—20 |
2—10 |
||
(Л.= 150— 15 см) |
I 000 |
10 925 |
3 0 -3 5 |
2,3 |
10 |
130 |
|
1 250-1 350 |
10 000 |
10—20 |
3 |
17 |
8 |
|
|
|
(с учетом |
|
|
|
|
|
|
входа |
|
|
|
|
|
|
прием: |
|
|
|
|
|
|
ника) |
|
|
|
|
2 700—2 950 |
10 000 |
30—35 |
17 |
8 |
_ |
|
3 000 |
1 000 |
100 |
2 4 |
15—25 |
до 25 |
|
3 000 |
6 000 |
_ |
— |
87 |
1,2 |
3 000-6 000 Мгц |
5 800 |
|
50-100 |
2.7 |
19-33 |
0,5 |
5 840 |
11 700 |
|
1.8 |
13 |
25 |
|
(\?=10—5 см) |
|
|||||
4300—5 500 |
18 900 |
100—20D |
3,5 |
17 |
15 |
|
|
|
|
(с учетом |
|
|
|
|
|
|
входа |
|
|
|
|
|
|
прием |
|
|
|
|
|
|
ника) |
|
|
|
10 000 Мгц |
8 700—9 200 |
17 400 |
25—50 |
- |
17 |
25 |
(Х=3 см) |
10 000 |
18 400 |
150 |
6 |
15-20 |
2 - 8 |
|
15 000 |
|||||
|
И 750 |
23 100 |
100 |
|
10 |
75 |
Из рассмотренного следует, что возможности созда ния сверхмалошумящих приемников связаны с примене нием квантовых усилителей, которые пока еще являются
17* |
259 |
Т а б л и ц а 5.6
Технические данные экспериментальных квантовых усилителей на твердом теле
Параметры
Диапазон.
М г ц |
5 |
f накт> Мгц |
|
ЬгГ |
|
|
l i |
а |
|
|
|
|
||
|
1 750 |
10 000 ■ |
100 |
35 |
|
|
|
|
(с учетом |
|
|
|
|
линии, |
1000-3 000 |
|
|
|
циркуля |
|
|
|
тора и |
|
|
|
|
|
последую |
|
|
|
|
щих кас |
|
2800 |
9 000 |
15 |
кадов) |
|
20 |
. |
< |
Магнит наяиндук ция,т л |
$ |
£ |
|
|
|
|
20 |
3.75 |
|
28 |
0,06 |
|
5500 |
_ |
_ |
18.5 |
30—10 |
30 |
|
|
|
(с учетом |
|
|
|
|
|
после |
|
|
|
|
|
дующих |
|
|
3000-6 000 |
|
|
каскадоп |
|
|
18 900-19 500 |
100 |
и линии) |
23 |
25 V-0.-1 |
|
5 750-6 100 |
10.7 |
||||
(пере |
|
|
|
|
|
страивае |
|
|
|
|
|
ма рубине) |
|
|
|
|
|
6 000-6300 |
11 700-12 300 |
- |
|
12 |
30 |
сложными устройствами с 'невысокими эксплуатацион ными данными (1 л жидкого гелия в двойных сосудах Дюара сохраняется в течение нескольких часов; необхо димы тяжелые магнитные системы, высокие требования к ВЧ трактам и т. п.).
Полупроводниковые параметрические усилители, уступая квантовым по уровню шумов, имеют значитель но более простую и компактную конструкцию и обла дают достаточно высокой надежностью (срок службы более 1000 час без выгорания диодов, уровень шумов не ухудшается при просачивании сигналов передатчика че рез защитные цепи приемника).
При применении квантовых и параметричеоких уси лителей следует учитывать, возможно ли реализовать в аппаратуре малые уровни шумов, которыми они обла дают. Дело в том, что потери в передающих линиях, фер ритовых вентилях, и циркуляторах дают в лучшем слу чае увеличение шумовой температуры на 10— 15° К,
I нс. 5.20. Диаграмма достигнутых значений коэффициента шума для различных типов полупроводниковых параметри ческих усилителей.
тш;п
г*
|
V, |
'/УЛл у м |
'/практически ахттщЫе.' |
||
/ ///№ |
Ч лЬт,т}* /// у |
|
Щ |
7/ t7л А |
|
Теоретический'предел |
||
______ 1 1 ■ |
■ 1— ^ ^ |
Рис. 5.21. Практические результаты и теоре тический предел шумов парамагнитных квантовых усилителей (без учета потерь в трактах и шумов последующих входных каскадов приемника).
261