5_10a (1086060), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

В нагрузке выделяется мощность

Р_ВЫХ = U²G_H = (I_Г/ G_)² G_H = I_Г² G_H /(G_Э - G), (5.66)

где G_Э = G_Г + G_Р + G_H. Подставляя в (5.65) Р_ВЫХ в соответствии с (5.66) и Р_Гном = I_Г²/4G_Г, получаем коэффициент усиления мощности

К_Р0 = 4G_ГG_Н / (1– )². (5.67)

Здесь  = G/G_Э — коэффициент регенерации. При   1, К_Р0  , однако практиче­ски получить усиление больше 20 дБ не удается, так как усилитель переходит в режим генерации.

Полоса пропускания регенеративного усилителя

_0,7 = f₀d = f₀G_ = f₀d_Э(1 – ), (5.68)

где d_Э = G_Э и f₀d_Э — соответственно затухание и полоса пропускания контура без регенерации. Из (5.67) и (5.68) видно, что увеличение усиления сопровож­дается сужением полосы пропускания. В большинстве случаев удается совме­стить достаточное усиление и требуемую полосу пропускания.

Если частота гетеродина, называемого генератором накачки, f_Г близка к уд­военной частоте усиливаемого сигнала 2 f_С, то разностная частота f_ПР = f_Г – f_С близ­ка к частоте сигнала и попадает в полосу пропускания входного контура. В этом случае отпадает необходимость в отдельном выходном контуре и двух­контурный ППУ вырождается в одноконтурный. Эквивалентная схема однокон­турного регенеративного ППУ совпадает с приведенной на рис. 5.30. Такой усилитель наиболее прост по конструкции и поэтому находил довольно широкое при­менение в сантиметровом диапазоне волн.

Достоинством ППУ является малый уровень собственных шумов, а поскольку постоянный ток в цепи варикапа весьма мал, малы и дробовые шумы. В ППУ в основном имеют место тепловые шумы, которые можно уменьшить охлаждением. Но чтобы реализовать малый коэффициент шума, необходимо предотвратить попадание собственных шумов нагрузки в усилитель, поскольку эти шумы, как и сигнал, будут усиливаться и выигрыша в реальной чувствительности приемника не будет. Предотвратить переход шумов нагрузки в резонатор усилителя можно с помощью фазовравщателей и ферритовых циркуляторов (ФЦ). Фазовращатели используются в усилителях проходного типа. В них сигнал от антен­ны через Фв₁ (см, рис. 2.55.б) попадает в резонатор, усиленный сигнал через Фв₂, который препятствует попаданию шумов нагрузки в резонатор, подводится к на­грузке.

Отражательные параметрические усилители с ферритовыми циркуляторами (ФЦ) имеют при одинаковой полосе пропускания в 4 раза больший коэффициент усиления и меньший коэффициент шума, чем проходные, поэтому применяются чаще последних. Основные параметры отра­жательных ППУ определяются соотношениями (4.45)…(4.48).

Регенеративное усиление возможно не только на частоте сигнала, но и на промежуточной частоте, так как в двухконтурном инвертирующем ПЧ активная составляющая выходной проводимости (в точках 2—2 на рис. 9.28) отрицатель­на. В этом нетрудно убедиться, подставив в (5.52) параметры (5.60). При резонансе в ВЦ

G_ВЫХ = – _C_ПР  (G_к1 – G_Г).

В неинвертирующем ПЧ активные составляющие входной и выходной проводимостей положительны. Поэтому регенеративного усиления не будет. Однако и в этом случае возможно усиление колебаний вследствие преобразования энер­гии генератора накачки ,в энергию принятого сигнала с повышением частоты. В соответствии с известным соотношением Мэнли—Роу коэффициент передачи мощности K_Р = f_ПР/f_С зависит от того, во сколько раз повышается частота. До­стоинство таких усилителей в широкополосности и устойчивости, недо­статок — усиленный сигнал снимается на частоте, которая много выше частоты входного сигнала. Обычно после такого усилителя следует резистивный ПЧ с понижением частоты.

Усилители с распределенными параметрами имеют очень широкую полосу пускания, но довольно сложны – они представляют собой замедляющую цепь, че­рез которую проходят бегущие волны принимаемого сигнала и волны генерато­ра накачки. На пути волн размещены варикапы, благодаря усилительному дей­ствию которых энергия сигнала нарастает по мере продвижения волны вдоль замедляющей цепи.

Полупроводниковые параметрические усилители обеспечивают наименьшую шумовую температуру в приемниках без специальных охлаждающих устройств. При охлаждении они лишь немного уступают по шумам применяемым в радио­астрономии квантовым усилителям, но гораздо проще по конструкции и более экономичны, так как им не требуется источник сильного магнитного поля, кото­рый необходим в квантовом усилителе. Для охлаждения первый каскад усили­теля помещают в двойной сосуд Дьюара с жидким гелием и жидким азотом. В РПрУ систем радиосвязи и телевидения ППУ вытесняются просты­ми и надежными транзисторными МШУ, которые почти не уступают им по шу­мовым параметрам.

Виды схем параметрических усилителей

Существует несколько разновидностей схем ППУ и режимов их работы. Усиленный сигнал можно получить, как на частоте входного колебания fд, так и на любой комбинационной частоте

fд = f_n ± f (п = 1, 2...).

Пер­вый случай называют усилением на частоте сигнала, второй —усиле­нием с преобразованием частоты. Частоты fр и fд выделяются соответствую­щими контурами.

В диапазоне СВЧ чаще всего используются двухконтурные или двухчастотные системы, в которых выделяются частоты fд = fн ± fе (контур и частота накачки при этом не учитываются).

Эквивалентная схема двухконтурно­го регенеративного усилителя на частоте сигнала может быть представлена в виде параллельно включенных проводимостей (рис. 6.10, а) либо последовательно включенных сопротивлений – рис. 6.10, б).

Рис. 6.10, а) – Эквивалентная схема двухконтурного регенеративного усилителя на частоте сигнала, вариант параллельного включения проводимостей

Рис. 6.10, б) – Эквивалентная схема двухконтурного регенеративного усилителя на частоте сигнала: последовательный вариант ППУ с учетом потерь

Эквивалентная схема усилителя-преобразователя на рис. 6.11 отли­чается от схемы на рис. 6.10, а) тем, что проводимость нагрузки подключается не к первому контуру, а ко второму, с которого и снимается усиленный сигнал.

Если частота fi равна fa или отличается от нее на интервал, мéньший полосы пропускания первого контура, то второй контур не нужен, так как обе частоты fi и fa могут быть выделены одним контуром. При этом возможны два способа последующего использования сигнала: выделение его узкополосным фильтром, например супергетеродинным приемником, одной частоты fi или fy (однополосный режим) либо выделение на контуре обеих частот (двух­ полосный режим). Двух полосный режим целесообразно использовать для приема шумовых сигналов.

Рис. 6.12. Эквивалентная схема двухконтурного параметрического полупроводникового усилителя с циркулятором и цепью накачки

На рис. 6.12 показана эквивалентная схема распространенно­го варианта параметрического полупроводникового усилителя — двухконтурного регенеративного ППУ на частоте сиг­нала с учетом цепи накачки в последовательном варианте. На схеме: Ц — циркулятор, к его плечу 1 — подключается источник сигнала e_c с внутренним со­противлением R_Г, к плечу 2 — ППУ, к плечу 3 — нагрузка R_И (обыч­но вход супергетеродинного приемника), к плечу 4 — нагрузка R_Н, поглощающая отраженный от входа 3 сигнал. Ф_С, Ф_N и Ф_X — фильтры, пропускающие только частоты fд = fi, f = fд и fд элементы Тс и Тл — реак­тивные четырехполюсники, включающие в себя реактивности диода, контура и цепи связи с источниками сигнала e_c и накачки Е_НАК; X_Х – реактивность холостого контура.

Одноконтурный ППУ

Эквивалентная схема одноконтурного полупроводникового параметрического усилителя совпадает с эквивалентной схемой двухконтурного ППУ (рис. 6.11, 6.12) при условии изъятия холосто­го контура, поскольку частоты fд и fа близки и обе выделяются сигнальным контуром. Такой усилитель обычно применяют в двух полосном, «радиомет­рическом» режиме приема шумовых сигналов, поступающих в усилитель на частотах fi и fа.

Конструкции одноконтурных параметрических полупроводниковых усилителей проще, чем двухконтурных, так как не содержат холостого контура.

Конструкции ППУ

ППУ выполняются в волноводном, коаксиально-волноводном, полосковом или микрополосковом вариантах.

Простые в конструктивном отношении – одноконтурные усилители. В волноводном варианте такой усилитель представляет собой два волновода (1-й – на частоту сигнала и 2-й — на частоту накачки f_Н) с общим отверстием связи, в которое помещен параметрический диод 3 – рис. 6.15.

На­стройка в резонанс и согласование активных сопротивлений производится с помощью реактивных винтов, расположенных в волноводе сигнала 4 и накачки 5.

Рис. 6.15 – Конструкция волноводного варианта одноконтурного ППУ

Фильтр низкой час­тоты 6 предотвращает попадание мощности накачки в волновод сигнала. Настройка контура накачки не влияет на контур сигнала, посколь­ку волновод накачки запредельный для частоты сигнала. Постоян­ное напряжение смещения U₀ попадает на диод через дроссельный фильтр.

В коаксиально-волноводном варианте используются коаксиальный вход и коаксиальный выход усилителя – рис.6.16. В диапа­зоне частот порядка 5 ГГц контур настраивается коаксиаль­ным шлейфом 1, включенным за диодом 2. Фильтр нижних частот 3 вклю­чен за шлейфом, поэтому перестройка шлейфа не влияет на параметры хо­лостого контура (настроенного на разностную частоту) и фильтра накачки 4. Контур холостой частоты ограничен в коаксиале радиальной ловушкой 5 и фильтром низких частот, а в волноводе — полосовым фильтром 4. На­стройка контура осуществляется поршнем 6. Мощность накачки поступает по волноводу, запредельному для частоты сигнала. Контур накачки ограни­чивается коаксиальным радиальным фильтром 7 и фильтром нижних час­тот.

На рис. 6.17 показана топологическая схема микрополоскового двух­контурного ППУ с последовательным включением диода в линию. Конден­сатор 1 служит для разрыва линии по постоянному току (для цепи смещения U₀) и короткого замыкания для токов СВЧ. Полуволновый транс­форматор 2 служит для подбора связи диода 6 с источником сигнала, т. е. для обеспечения «холодного» КСВ, необходимого для получе­ния заданного усиления. При последовательном включении в микрополосковую линию (МПЛ) один из его выводов соединяют с заземленной пластиной короткозамкнутым шлейфом 7, чтобы замкнуть цепь напряжения смеще­ния. Для развязки цепи сигнала от цепи смещения служат низкоомный и высокоомный отрезки МПЛ 3. Реактивный шлейф 4 служит для согласования входного импеданса цепи накачки с подводящей МПЛ.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как определить вид ОС по структурной схеме усили­теля?

2. Как определить вид ОС по принципиальной схеме усили­теля?

3. Почему при ОС по напряжению в усилителе U_ВЫХОС = U_ВЫХ?

4. Почему при параллельной ОС в усилителе U_ВХОС = U_ВХ?

5. Будет ли ООС уменьшать напряжение помех по отношению к сиг­налу, если помехи поступают на вход усилителя через источник сигнала или элементы входной цепи усилителя?

6. Какие виды ОС увеличивают нелинейные искажения и собственные помехи усилителя?

7. При каких видах ОС входное сопротивление усилителя с ОС зависит от со­противления нагрузки R_Н усилителя?

8. Какого вида ОС не меняет площадь усиления каскада?

9. При каких условиях в усилителе с ООС в области СЧ может возникнуть само­возбуждение?

215

Характеристики

Список файлов лекций