книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот

метрических 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

ций полупроводниковых параметрических усилителей и

—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

выходногоfBUXсиг­ нала

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]

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]

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

ческих усилителях достигается выбором схемы и кон­ струкции, а в квантовых — только активным (парамаг-

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].

Из рассмотренного следует, что возможности созда­ ния сверхмалошумящих приемников связаны с примене­ нием квантовых усилителей, которые пока еще являются

Т а б л и ц а 5.6

Технические данные экспериментальных квантовых усилителей на твердом теле

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*

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