Стр.102-201 (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Том 2 (1972))

5) диапазон механической или электронной перестройки рабочей частоты; б) уровень шумов н внеполосных излучений; 7) фазовая стабильность. Вопроса о нестабильности частоты усилителей при изменениях выходной нагрузки или питающих напряжений практически не возникает. Именно поэтому выходные усилители и усилительные цепочки находят все более широкое применение взамен мощных генераторов с самовозбуждением. По сравнению с автогенераторами усилители обладают дополнительным достоинством, заключающимся в возможности простой синхронизации ,'; зм,'Т! и поддержания постоянной разности фаз выходных сигналов нескольких й: /,' ',',, 1 1 1, или большого числа одновременно ра"з,' ~ ', ~ ', ',,7 ~ ', ботаюшнх усилителей, возбуждаемых от общего источника колебаний.

Та""в*' кая задача встречается, например, при питании многоэлементных фазиРис. Зйт К определению полосы частот и диапазона перестрояии рованных антенных решеток радиолоусилителей СВЧ кационных станций, а также мощных линейных электронных ускорителей. Коэффициент усиления К обычно выражается в децибелах н определяется соотношением К =!О!А — '"* [дб], рва (3.32) где Р,„, — мощность, поступающая с выхода усилителя в нагрузку, согласованную с выходной линией. Через Р,„обозначена мощность, которая поступает от источника входного сигнала в согласованную нагрузку, подключенную вместо рассматриваемого усилителя. Под полосой частот (полосой пропускания) усилителя СВЧ, как и на более низких частотах, принято понимать разность между частотами т, н о„на которых коэффициент усиления снижается на заданную наперед величину по сравнению с коэффициентом усиления на средней (номинальной) частоте та. В качестве критерия ширины полосы обычно выбирают спад усиления на 1 дб или на 3 дб, как показано на рис.

3.17. При этом предполагается, что механическая настройка резонаторов, электрический режим и другие параметры усилителя, за исключением частоты, остаются неизменными. Чтобы подчеркнуть неизменность питающих напряжений и всех видов настройки, рабочую полосу частот усилителя иногда называют мгновенной полосой частот. Если усилитель имеет тот или иной механизм настройки, то кривая, показанная на рнс. 3.17, может сдвигаться в обе стороны от средней частоты тв. Пунктиром показаны крайние положения этой кривой, определяющие максимальную и минимальную частоты оиа„в и т„„и. Разность между ними принято называть диапазоном настройки (перестройки) усилителя.

Иногда полосу и диапазон частот указывают не в единицах частоты (герцах или мегагерцах), а в процентах по отношению к средней частоте. Требования к шумам и внеполосным излучениям мощных усилителей сходны с требованиями, предъявляемыми к автогенераторам Не следует смешивать эти параметры с коэффициентом шума, исполь. зуемым для оценки качества маломощных входных усилителей и так. же выражаемым в децибелах (см. далее).

а. Мелло»ели малого согнала' Несмотря на кажущуюся аналогию с мощными усилителями, к усилителям малого сигнала СВЧ (входным усилителям) предъявляются существенно отличные требования. Основными высокочастотными параметрами, характеризующими работу входных усилителей, являются: 1) коэффициент усиления; 2) коэффициент шума; 3) ширина рабочей полосы частот при фиксированной настройке.

Абсолютная величина выходной мощности входных усилителей играет второстепенную роль; к. п. д. можно вообще не рассматривать. Это типично не только для сверхвысокочастотных усилителей, но и для других усилителей малого сигнала. При соизмеримости сигнала с шумом основную роль играет не усиление сигнала само по себе, а отношение сигнала к шуму на входе н выходе усилителя. Остановимся на этом вопросе подробнее. Коэффициент шума усилителей СВЧ, как и любых других четырехполюсников, может быть определен несколькими различными, хотя и равноценными между собой способами. Обозначим через Р и Р,„„мощности шумовых сигналов на входе и на выходе усилителя в рассматриваемой полосе частот Ьт.

Тогда коэффициент шума или шум-фактор усилителя Р может быть выражен в децибелах в виде Рвх Рш. вх (дб). (3.33) Рвых Рш. вых Уравнение (3.33) характеризует изменение (ухудшение) отношения сигнала к шуму при прохождении сигнала через усилитель. Но величина Р„„„(Рвх есть не что иное, как абсолютная величина коэффициента усиления К,а,. Шумовая мощность на выходе усилителя Р складывается из усиленного входного шумового сигнала, мощность которого равна К асР,„, и мощности «собственных» шумов на выходе усилителя ~ „а„,.

Таким образом, уравнение (3.33) приобретает вид м собесе д -!В!б (! д- "1-дс!б ! д. '"' '"' ) !дб!, !В бд! Кхбв Ра! вх I Рад. х ЮЗ Р,„= яТбтг. (3.35) Через я здесь обозначена постоянная Больцмана, равная 1,38х х 10 дж град ' ; Лч — полоса частот и Т вЂ” абсолютная температура излучателя.

° При вычислении коэффициента шума величину Т в (3.35) принято обычно полагать равной нормальной температуре Т, = 290' К. Подставляя (3.35) в уравнение (3.34), получаем: Р 101 1 + ш. са ств [дб[ Рш. сабств ат а (3.36) Кроме коэффициента шума Р, шумовые свойства усилителей можно характеризовать эффективной шумовой температурой Т .

Понятие Т рассматривалось в [1) для случая пассивных СВЧ цепей. Под шумовой твх«пгратурой усилителя понимается такая абсолютная температура согласованной нагрузки, включенной ко входу идеального(нешумящего) усилителя, при которой шумовая мощность на выходе усилителя равна рассматриваемой «собственной» шумовой мощности Р „б„,. Таким образом, Рш. сабств — йТш ~~в. Используя понятие шумовой температуры Т, можно представить уравнение (3.36) в виде Р =10 1д (1+ — 1 [дб[.

Отсюда следует, что шумовая температура усилителя связана с коэффициентом шума простым соотношением Тш =..290(Рш. вбс — 1) [град. К[, (3. 38) где Рш „б, — абсолютная величина шум-фактора, которая определяется выражением, находящимся под знаком логарифма в уравнениях (3.33), (3.34) и (3.36).

104 где Р' „. „, — «собственная» шумовая мощность, пересчитанная КО ВХОДУ РаССМатРИВаЕМОГО УСИЛИТЕЛЯ И РаВНаЯ Р „б„,)К«б,. Коэффициент шума идеального усилителя, не добавляющего собственных шумов к усиливаемому сигналу, по (3.34) равен нулю. Чем ближе к нулю шум-фактор реального усилителя, тем выше его качество и тем ббльшие возможности он предоставляет для усиления слабых сигналов. От величины Р в большой степени зависят такие важные параметры радиотехнических систем, как предельная дальность обнаружения объектов [7[.

Шумовая мощность Р,„, поступающая на вход согласованного усилителя, в диапазоне СВЧ определяется тепловым излучением, описываемым уравнением Найквиста Исторически развитие электровакуумных приборов СВЧ началось с разработки генераторов с самовозбуждением (автогенераторов). Усилители мощности стали развиваться позднее в связи с повышением требований к стабильности источников сверхвысокочастотных колебаний. Сейчас роль мощных усилителей непрерывно возрастает.

Удовлетворительные усилители малого сигнала в диапазоне СВЧ в течение длительного времени вообще отсутствовали. Уровень шумов у всех приборов, обеспечивающих усиление подаваемого на вход сигнала, был недопустимо велик. В настоящее время созданы малошумящие и сверхмалошумящие лампы бегущей волны (ЛБВ), параметрические электронные и полупроводниковые усилители, а также квантовые усилители. Так, например, коэффициент шума ЛБВ 10-см диапазона волн можетдоходить доЗдб (Т =290' К) и менее.

Шумовая температура твердотельных квантовых усилителей, работающих при сверхнизкой температуре активной среды, может достигать 3 — 30' К. Кроме перечисленных основных факторов, при разработке генераторных и усилительных приборов СВЧ необходимо учитывать другие требования. Большую роль играют требования к источникам питания, в.частности, к величине питающего постоянного напряжения и к его стабильности.

Специфика применений приборов СВЧ заставляет обращать значительное внимание на механические и климатические требования и на ограничения по габаритам н весу. Исключительно важным вопросом является срок службы приборов и их надежность. Наконец, при изучении приборов СВЧ и при разработке новых типов приборов следует обращать особенное внимание иа конструктивно- технологические и экономические проблемы. Все эти практические соображения являются в конечном счете решающими при обсуждении вопроса о возможностях широкого практического применения того или другого типа приборов.

й З.В. ОБЗОР ТИПОВ ГЕНЕРАТОРОВ И УСИЛИТЕЛЕИ СВЧ На рис. 3.18 приведена схема, иллюстрирукнцая современное состояние генерирования и усиления колебаний СВЧ. Схема эта, не претендующая на полное и всестороннее освещение проблемы, дает возможность наглядно представить сложность и многообразие методов и конкретных типов приборов, позволяющих генерировать или усиливать сверхвысокочастотные колебания. Помимо электронных генераторов когерентных СВЧ колебаний, в схему включены генераторы шумовых колебаний с непрерывным спектром, а также ранние типы искровых генераторов СВЧ, позволяющих генерировать лишь затухающие некогерентные колебания.

Здесь же показаны квантовые неэлектронные усилители и генераторы СВЧ (мазеры и лазеры) и параметрические усилители. К числу твердотельных приборов, включенных в рассматриваемую классификацию, относятся генераторы СВЧ, использующие отрицательное сопротив- !05 а»ног зарони зза"мз ь ша4 ~м:,а ааа ахс зз ъ3 ябпшюбзнаа иггрпбнэф згбошобвнзг еяроыррг лрр б - пуобн выра» -пнрорпбнаиоу ярппр аян згНО0О-йи»Нрпр ярона оянгнвнйрг яшпшэоь ппя»ныпныр ишшпипэр злишь -пбшаыповн аяз .в»пнрпрпбнйнпб лрр ябпшэпинобр р пнош ррр х с х о и 2 а х с с » с з з, ш а зз сз нропбр О зз.