А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Экспериментально во вторую гармонику удается преобразовать до 70% энергии излучения лазера. В настоящее время найдены вещества, например кальцит СаСО, „в которых может быть выполнено условие сиихронизма, необходимое для генерации третьей гармоники. Однако вследствие того, что кубичный член в (5.50) значительно меньше квадратичного, достигнутый к настоящему времени КПД непосредственного преобразования энергии основной волны в энергию третьей гармоники значительно меньше КПД генерации второй гармоники. В связи с этим на практике получение третьей гармоники осуществляют в два этапа. На первом этапе генерируют вторую гармонику, что, как отмечено выше, может быть выполнено с относительно высоким КПД с помощью кристалла с квадратичной нелинейиостью. На втором этапе смешивают вторую гармонику с основным излучением, в результате чего получают волну с суммарной частотой 2ы + ы = Зы.
Для смешения частот достаточна квадратичная нелинейность, поэтому смешение частот тоже может быть осуществлено с относительно высоким КПД. В результате КПД такого двухступенчатого преобразования энергии в третью гармонику оказывается существенно выше, чем при непосредственном преобразовании. 5.16. Умножение частоты акустического излучения р+лтг Своеобразно проявляется генерация гармоник при распространении акустических волн конечной 1 г амплитуды. Нелинейные эффекты в акустике обусловлены тем, что мощная акустическая волна изменяет 1 физические свойства среды.
Из-за нарушения зако- 1 l на Гука в области сжатия скорость звука становится больше, чем в области разрежения. Поэтому участки волны с повышенным давлением нагоняют те участки волны, где давление меньше (рис. 5.28). Этот эфРис. 5.28. Формирование крутого фект накапливается и на больших расстояниях прифронта акустической волны в нели- водит к формированию у волны крутого фронта. Иснейной среде кажение формы волны означает, что она обогащается гармониками. Если в оптике обычно имеет место сильная дисперсия и лля накопления эффекта генерации гармоник необходимо, как правило, принимать специальные меры, обеспечивающие выполнение условий сиихронизма, то в акустике обычно приходится иметь дело со слабо диспергируюшими средами. Из-за слабой дисперсии при распростаиеиии акустических волн условия синхронизма выполняются одновременно для значительного числа гармоник.
Поэтому эффект их образования накапливается с расстоянием и приводит к искажению формы волны. Волна, синусоидальиая вначале, 'превращается в пилообразную. В оптике такое искажение формы волн не наблюдается, так как условия синхронизмз для значительного числа оптических гархюннк трудно выполнить одновременно. В акустике, как правило. высшие гармоники характеризуются большим затуханием.
133 6.17. Амплитудное ог аничение чем основная волна. Поэтому перекачка энергии основной волны в быстро затухающие гармоники приводит к быстрому ослаблению основной волны. Из-за этого в акустике в ряде случаев возникают трудности при практическом осуществлении накопления некоторых нелинейных эффектов на значительных расстояниях. В частности, по этой причине достигнутый коэффициент параметрического усиления акустических волн лишь незначительно превышает единицу (см. 36.8). 5.17.
Амплитудное ограничение Амилитуднмм ограничением называют преобразование сигнала, в результате которого его амплитуда принимает заранее установленное постоянное значение У „если до ограничения она превышала это значение, и не изменяется в противном случае. Устройства, предназначенные для ограничения амплитуды колебаний, называют амппитудными ограмичиглелями. Величина У ., определяющая максимальное значение амплитуды сигнала на выходе амплитудного ограничителя, называется порогом ограничения.
Соотношение амплитуд сигналов на входе и выходе ограничителя можно представить выражением еслиУ (У „ У ~вых (У где У и У, — амплитуды сигналов соответственно на входе и выходе ограничителя, У . — порог ограничения. Поскольку свойства ограничителя зависят от амплитуды сигнала, то ограничитель — нелинейное устройство и может быть построен только с использованием нелинейных элементов. В частности, ограничение амплитуды сигналов может быть осуществлено с помощью полупроводниковых диодов. На рис. 5.29 представлена схема диодного ограничителя.
Ограничитель состоит Из ДВУХ нелииейных цепочек, каждал из Рис. 5,29. Принципиальная схема которых включает полупроводниковый диод и источ- вводного ограничителя ник постоянного напряжения, подключенного к диоду в запирающем направлении. Обе цепочки подключены параллельно к выходным клемам ограничителя, причем диоды в цепочках включены в противоположных направлениях.
Источник входного сигнала подключается к выходным клеммам ограничителя через резистор В, сопротивление которого должно быть много больше, чем дифференциальное сопротивление В, диодов в прямом направлении. Будем для простоты считать, что напряжение источников смешения обоих диодов имеет одну и ту же величину У „а сопротивление диодов в обратном направлении бесконечно велико.
Тогда, если амплитуда входного сигнала меньше абсолютной величины напряжения У „запирающего диоды, то сопротивление диодов бесконечно велико и они не шунтируют выходные клеммы ограничителя. Поэтому входное напряжение через резистор В попадает на выход ограничителя без изменения. Если же амплитуда входного сигнала превышает абсолютную величину напряжения У „запирающего диоды, то в те моменты времени, когда У,„> У ., один из диодов отпирается.
При этом в цепи, состоящей из источника входного напряжения, резистора 22, отпертого диода и его источника смешения, начинает протекать ток, который создает падение напряжения на открытом диоде. Поскольку В » В;, падение напряжения на диоде пренебрежимо мало по сравнению с падением напряжения на сопротивлении В. При этом полное напряжение на участке цепи, состоящем из открытого диода и его источника смещения, приблизительно равно напряжению У „этого источника. Поэтому и на выходе ограничителя напряжение в этом случае будет приблизительно равно У .. Это состояние сохранится до тех пор, пока входное напряжение будет больше абсолютной величины напряжения смешения.
Глава б. П еоб ааование сигналов в нелинейных системах запирающего диод. Таким образом, диод %'Ю, обеспечивает "ограничение сверху'*, т. е. ограничивает положительные полуволиы напряжения сигнала, а диод У.0, аналогичным образом обеспечивает "ограничение снизу". а) Рис. 5.30 иллюстрирует работу амплитудно- го ограничителя для случая, когда входной сиг- М иал является амплитудно-модулированным колебанием.
На рис. 5.30,а показан график изме- "ИЮ пения во времени напряжения У иа входе ограничителя. Горизонтальными пунктирными линиями на зтом графике показаны уровни огра- -и е иичеиия сверху и снизу. На рис. 5.30, б показан график изменения во времени напряжения У,„„ 6) на выходе ограничителя. Сравнение графиков %аи рис.
5.30 показывает, что амплитудное ограничение позволяет "очистить" сигнал от амплитудной модуляции. Это бывает необходимо, например, в тех случаях, когда информация передается с помощью частотной модуляции, а амплитудная модуляция является следствием искажений Рис.
5.30. Ограничение амплитудно-мо- частотно-модулированного сигнала или резульдулированного сигнала татом влияния помех. В таких случаях амплитудное ограничение позволяет очистить сигнал от помех и искажений и обеспечить высокое качество передачи информации. Приведенные примеры нелинейных преобразований в радиофизике демонстрируют их основные общие закономерности и далеко ие исчерпывают многообразия проявления нелинейных явлений в различных физических, биологических, химических и других системах, Усилители электрических и оптических сигналов Усилителем называют устройство, увеличивающее мощность сигнала, поступающего на его вход, за счет энергии источника питания. Им может быть источник постоянного или переменного тока или источник оптического излучения. 6.1. Общие принципы построения усилителей и их основные характеристики Регулирование потока энергии от источника питания к нагрузке усилителя осуществляет управляемый сигналом элемент.
В зависимости от типа управляемого элемента — активного или реактивного — различают электронные, оптические и параметрические усилители. В первом случае усиливаемый сигнал модулирует ток, протекающий через управляемый элемент В, „и соответственно поток энергии от источника питания к нагрузке. Во втором случае усиливаемый оптический сигнал интенсивностью 4, взаимодействуя со средой, находящейся в состоянии с инверсной населенностью (активная среда), вызывает вынужденные переходы атомов или молекул из возбужденного в стационарное состояние. Разность энергий этих состояний соответствует энергии кванта падаюгдего излучения.
Интенсивность излучения, распространяющегося в активной среде, меняется по закону (6,1) Хо ехр(р — а)а, где д — коэффициент усиления на единицу длины, а — коэффициент поглощения, з— координата вдоль направления распространения излучения. Состояние с инверсной населенностью создает и поддерживает источник питания, а роль управляемого элемента играет активная среда, интенсивность излучательных переходов в которой регулирует усиливаемый сигнал, В случае параметрического усилителя усиливаемый сигнал осуществляет модуляцию реактивного элемента цепи или диэлектрической проницаемости среды и выходным сигналом являются одно или несколько комбинационных колебаний, возникаюгцих в процессе модуляции.
При этом энергия комбинационных колебаний может быть больше, чем энергия сигнала, поступающего на вход усилителя. Ее поступление обеспечивает источник энергии накачки сг„(1). Принцип действия трех названных типов усилителей иллюстирируег рис. 6.1. Управляемый активный элемент В, „условно показаннь1й на рис. 6.1, а, фактически представляет собой управляемое сопротивление Ь В,= —, о5 136 Главе 6. Усилители электрических и оптических сигналов где Š— длина, о — проводимость, Я вЂ” площадь сечения. Уснлнваемый сигнал, в зависимости от типа активного элемента, меняет его проводимость о (электронные лампы, биполярные транзисторы) или сечение проводящего канала Я (полевые транзисторы). в) !) %Ю~ г' ах(! Еяехр(д-а)Е.
Рнс. 6.1. Схема устройства усилителя: а) электронного; б) оптического; в) параметрического Роль активной среды на рис. 6.1, б могут выполнять твердые, жидкие и газообразные материалы, в которых возможно создание инверсной населенности путем оптической, газоразрядной или токовой накачки. Управляемым реактивным элементом (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
