17.2. УСИЛЕНИЕ С ПЕРЕМЕННОЙ РЕАКТИВНОСТЬЮ

17.2.1. Общие принципы

Большие успехи в технике усиления с малым уровнем шумов на СВЧ были достигнуты на основе разработки нового класса усилителей, в которых выходная мощность получается за счет энергии источника переменного напряжения [97, 150, 206, 274,

315, 497]. Этот класс включает в себя параметрические и квантовомеханические усилители.

Рис. 17.4. Параметрическое усиление в схеме с емкостью, меняющейся во времени. (См. [126].)

Параметрическое усиление получило свое название благодаря тому, что дифференциальное уравнение, описывающее поведение схемы, содержит один или более реактивных параметров, которые нелинейны и изменяются во времени. Например [126], емкость на рис. 17.4, а, которая связывает два резонансных контура с угловыми резонансными частотами модулируется источником энергии или накачки с частотой, которая равна

Формы напряжений на емкости показаны на рис. 17.4, б.

Суммарное напряжение, представленное на рис. 17.4, в, пропорционально

Это напряжение обращается в нуль всякий раз, когда также обращается в нуль. Если теперь увеличивать расстояние между обкладками конденсатора в тот момент, когда заряд максимален, и уменьшать, когда он равен нулю, т. е. изменять емкость так, как показано на рис. 17.4, г, то механическая работа, производимая накачкой, будет преобразовываться в энергию колебаний, как показано на рис. 17.4, д. Если является частотой сигнала, то вспомогательная частота будет автоматически устанавливать фазу для получения усиления. Когда то частота накачки в 2 раза превышает частоту сигнала, но в отсутствии холостого контура усиление можно получить лишь в том случае, когда выполнены необходимые фазовые соотношения [425].

Рис. 17.5. Параметрическое усиление с нелинейной индуктивностью: а — эквивалентная схема; б - соотношение между частотами.

Этот вырожденный случай, впервые изученный Релеем [356], известен во многих областях [35, 140, 298, 318]. Усиление с помощью нелинейной реактивности впервые наблюдалось на СВЧ [325] с германиевым выпрямителем; с недавнего времени параметрические усилители диапазона СВЧ вызвали значительный интерес [113, 142, 326, 374, 473, 480, 568, 582, 597, 630, 632, 660]. Термин параметрические усилители был расширен и включает все аналогичные им усилители, в которых источником энергии на выходе служит высокочастотная накачка.

Параметрические усилители диапазона СВЧ используют нелинейные явления как средство получения реактивности, изменяющейся во времени [373, 381, 412, 462]. Примером может служить схема модулятора, содержащая индуктивность величина которой зависит от тока, как показано на рис. 17.5, а. Мощности сигнала и накачки подводятся к нелинейной индуктивности, в результате чего образуется множество верхних и нижних боковых частот. Как показано на рис. 17.5, б, в их состав входят сор, и первые верхняя и нижняя боковые частоты, которые соответственно равны

При этих условиях соотношение между мощностями, даваемое теоремой Мэнли и Роу [298, 299], имеет вид

Здесь, если Р — положительная величина, то это означает, что реактивность выделяет мощность на частоте, обозначенной индексом; если же Р величина отрицательная, то это представляет поглощаемую мощность. Уравнения (17.10) и (17.11) показывают, что реактивность всегда поглощает мощность накачки, но при соответствующих условиях она может выделять мощность сигнала 174, 655, 656, 668].

Например, если подавить нижнюю боковую полосу частот, то получается неинвертируемый модулятор или преобразователь на более высокую боковую полосу частот и уравнение (17.11) приобретает вид

Итак, реактивность на верхней боковой частоте выделяет мощность, представляющую усиление с коэффициентом Такой повышающий преобразователь, работающий между далеко разнесенными частотами, дает существенное усиление мощности; небольшая входная мощность на частоте управляет большой мощностью накачки с частотой и сумма этих двух мощностей появляется как полезная выходная мощность на частоте Так как коэффициент усиления по мощности положителен, то усилитель устойчив. Полоса пропускания при умеренной величине нелинейности достаточно широка.

Напротив, если подавлена верхняя боковая полоса частот, то уравнение (17.11) дает

Так как и положительны, то реактивность будет выделять мощность в день сигнала и в гораздо большой степени в цепь нижней боковой частоты, так что получается усилитель с отрицательной проводимостью. Если в устройстве с одним органом связи (одноплечим) мощность снимается на частоте сигнала, то должен предусматриваться холостой контур для поглощения энергии боковой частоты Усиление в этом случае получается непосредственно, причем его величина определяется эквивалентом отрицательной проводимости вводимой в цепь сигнала. Анализ [156, 203] усилителя, использующего, например, нелинейную емкость, дает

где суммарная положительная проводимость, шунтирующая холостой контур. и, следовательно, являются функциями мощности накачки, и поэтому их величинами можно управлять. В повышающем преобразователе с нижней боковой полосой частот, который является двухплечим устройством с двумя органами связи, выход сделан на холостой частоте. В этом случае в

выражение для коэффициента усиления входит множитель так что при данном общем коэффициенте усиления обеспечивается лучшая стабильность.