в двухчастотный резонатор. По другому волноводу к нему же поступает энергия накачки от генератора, которым обычно служит клистронный
генератор (Рн <1 50 мВт).
Резонатор на частоте сигнала может быть выполнен в виде четверть волновой полосковой линии, а на частоте накачки —в виде отрезка прямоугольного волновода, стенками которого является наружная пластина полосковой линии. В резонаторе обеспечивается многократ ное отражение сигнала, что увеличивает время его взаи модействия с активной сре
дой.
В ряде случаев применяют системы из двух и более свя занных между собой резона торов с помещением кристал ла во все резонаторы. Это по зволяет расширить полосу пропускания усилителя и, следовательно, увеличить его эффективность; при усилении примерно в 20 дБ его полоса пропускания увеличивается при этом с 2—4 до 15—20 дБ.
Основным параметром усилителя является отрицательная магнит
ная добротность, определяемая выражением |
|
Qrn.= fcH2Vc/8nPm, |
(4.93) |
где Н — средняя амплитуда высокочастотного магнитного поля в ре
зонаторе на частоте сигнала / с; |
Vc — объем резонатора без рабочего |
||
вещества: |
Рт = hfcwA N V — |
мощность, излучаемая |
веществом; |
V — объем рабочего вещества. |
|
|
|
Коэффициент передачи отражательного усилителя часто выражают |
|||
не через |
проводимости (4.70), |
а через затухания или |
добротности, |
вносимые соответствующими элементами эквивалентной схемы (см. рис. 4.22). Поэтому
* р = |Г у1* = |
d - d p + \ dm \ у |
(4.94) |
|
d+ dp— 1dm| / |
|||
|
где d — затухание, вносимое подводящей линией передачи; dp —соб ственное затухание резонатора; dm — отрицательное магнитное зату хание.
Затухание резонатора составляет обычно dp ж 10~4 —■ 10~5, за
тухание линии передачи d |
подбирается из условия обеспечения задан |
|||
ной полосы пропускания. |
Нетрудно видеть, что устойчивое усиление |
|||
обеспечивается при dp + |
d > dm, |
причем dm та 10~2 -4- |
5 |
• 10~3; |
усиление максимально при условии d |
+ dp ж dm, а при d |
+ |
dp < |
|
< dm усилитель самовозбуждается. |
|
|
|
|
IS6
Полоса пропускания усилителя определяется как
II = f0da,
где = d 4- dfi -f dm — полное затухание резонатора с учетом за тухания, вносимого активным элементом.
Шумовые свойства усилителя определяются спонтанным излуче нием и особ нно потерями в ст-нках резонатора; шумовая темпе ратура усилителя составляет несколько градусов (Тт -да 4 ч- 6 К). Однако шумовая температура приемника с малошумящим усилителем оказывается выше из-за шума антенны, потерь сигнала в циркуляторе и других элементах (7\,р «
^20 ч- 30 К).
Рассмотрим |
теперь |
|
|
|
принцип |
действия КУБ В |
|
|
|
на следующем |
примере. |
|
|
|
Пусть на |
парамагнитный |
|
|
|
кристалл длиной L воздей |
При |
прохожде |
||
ствует плоская электромагнитная волна (рис. 4.33). |
||||
нии сигнала вдоль кристалла его интенсивность изменяется |
по экспо |
|||
ненциальному закону. Изменение энергии на частоте |
сигнала можно |
|||
характеризовать выражением |
|
|
||
|
|
Р (/) = Р0 ехр (—/г (j))x, |
|
(4.95) |
где Р0 — мощность падающей волны на входе (х — 0); k(f) — коэффи циент поглощения на частоте/; в активной среде k(J) — отрицательная величина, имеющая размерность см'1.
Параметр k(j) характеризует усилительные свойства активного вещества (квантовое усиление). При прохождении колебанием расето ння х == ilk(f) его интенсивность возрастает в 2,7 раза. Расчеты по казывают, что для увеличения интенсивности сигнала па волне А = = 3 см, например, в 10 раз при реальных значениях k{j) = 3 • 10~2 см-1 (парамагнитный кристалл при гелиевых температурах) длина кристал ла должна составлять L — 3 м, что трудно осуществимо. В целях уве личения времени взаимодействия сигнала с веществом в КУБВ приме-1 няют замедляющие системы, например гребенчатую структуру. Т жая c iстема обеспечивает замедление порядка 100, определяемое отноше нием скорости света к групповой скорости колебаний, распространя ющихся в системе.
При конструировании усилителя кристалл располагают вдоль гре бенчатой структуры у основания стержней в пучности магнитного поля, интенсивность которого уменьшается к концам стержней. Край
ние стержни гребенки |
образуют вход и выход усилителя; к ним под |
водят коаксиальные |
кабели или волноводы. После возбуждения |
колебаний во входном |
стержне энергия сигнала распространяется |
в виде,бегущих волн вдоль гребенчатой структуры. У основания струк туры располагают также ферритовые элементы, которые препятствуют-
157
образованию стоячих волн, возникающих из-за отражения энергии от неоднородной структуры и особенно от ее конца. На внешних пло скостях волновода, по которому подводится энергия накачки к кристал лу, размещают постоянные магниты, а всю конструкцию помещают в криостат.
Применение волноводных систем вместо объемных резонаторов устраняет серьезный недостаток регенеративных КПУ, обладающих узкой полосой пропускания. Полоса пропускания КУБ В определяется
выражением |
|
|
П = ]/3/(К р - |
3)А/п, |
(4.96) |
где Кр — коэффициент усиления, дБ; |
Д/п — ширина линии парамаг |
|
нитного резонанса активного вещества. |
|
|
В усилителях бегущей волны отпадает необходимость в применении |
||
циркуляторов, что существенно упрощает их конструкцию. Они обес печивают в среднем усиление Кр ж 20 ~ 30 дБ при полосе пропуска ния 15—25 МГц. К существенным недостаткам КУБВ относятся боль шие размеры гребенчатой структуры, а следовательно, и кристалла; это приводит к необходимости увеличивать мощность накачки, размеры и вес постоянных магнитов, расход жидкого гелия. Они наиболее пер спективны в диапазоне миллиметровых волн, поскольку с укорочением длины волны уменьшаются размеры волновода и парамагнитного кри сталла.
Список литературы3120987*54
1. |
К а р б о в с к и й С. |
Б., Ш а х г е д а и о в В. Н. Ферритовые циркуляторы |
|||
2. |
и вентили. М., «Сов. |
радио», 1970. |
|||
Э т к и н В. С , |
Г е р ш с и з о н Е. М. Параметрические системы на полупро |
||||
3. |
водниковых диодах, ДБ, «Сов. радио», 1964. |
||||
В а с и л ь е в |
В. |
Н. |
и др. |
Регенеративные полупроводниковые параметри |
|
|
ческие усилители. |
М., |
«Сов. |
радио», 1965. |
|
4.Б о б р о в И. Н. Параметрические усилители и преобразователи СВЧ. Киев, «Техника», 1969.
5.СВЧ полупроводниковые приборы и их применение. Под ред. Т. Уотсона. Пер. с англ. Под ред. В. С. Эткина. М., «Мир», 1972.
S.Ф и л а т о в К. В. Введение в инженерную теорию параметрического уси ления. М. «Сов. радио», 1971.
7. |
Ф е д о т о в Я. А. |
Основы физики |
полупроводниковых |
приборов. |
М., |
|||
8. |
«Сов. радио», 1963. |
|
построения |
схем |
на |
туннельных |
диодах. |
Пер. |
Ч ж о у В. Ф. Принципы |
||||||||
9. |
с англ. Н. 3. Щварца. М., «Мир», 1966. |
А. |
М. Основы |
радиотехники. |
||||
К о т е л ь н и к о в |
В. А., |
Н и к о л а е в |
||||||
|
Ч. II, Изд-во по вопросам связи и радио, 1954. |
|
|
|
||||
10.«СВЧ устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчет». Под ред. И. В. Мальского и Б. В. Сестрорецкого. М., «Сов. радио», 1969. Авт.: Л. А. Биргер, И. А. Волошин, И. П. Боровиков и др.
11.«Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия». М., «Советская энци клопедия», 1969.
12.Д ь я к о в В. А. Введение в квантовую электронику. М., «Энергия», 4969.
13.С и г м е н А. Мазеры. Пер. с англ. Под ред. Т. А. Шмаонова. М., «Мир», 4968.
158
5. Усилители промежуточной частоты
5.1. Общие сведения
Усилители промежуточной частоты работают на фиксированной частоте (промежуточной частоте). Фиксированная резонансная частота позволяет упростить их конструкцию и применить сложные резонанс ные системы, которые создают требуемую форму частотной характе ристики. В большинстве случаев частотная характеристика должна приближаться к идеальной (прямоугольной). УПЧ усиливают прини маемый сигнал до величины, необходимой для нормальной работы де тектора. Они осуществляют основное усиление высокочастотного сиг нала.
УПЧ должен выполнять следующее:
—усиливать принимаемый сигнал;
—обеспечивать избирательность по соседнему каналу;
—снижать коэффициент шума приемника сантиметрового диапа зона без УРЧ.
Коэффициент усиления по напряжению УПЧ обычно — 102-f- -г- 10й (40—120 дБ) и поэтому число каскадов доходит до десяти.
Полоса пропускания супергетеродинного приемника определяется в основном полосой пропускания УПЧ (полоса пропускания входной цепи и УРЧ шире, чем УПЧ). Поэтому полоса пропускания УПЧ долж на быть не меньше полосы спектра частот сигнала, и, следовательно, она зависит от типа сигнала и его модуляции. Если в процессе эксплу атации допускают подстройку приемника после его настройки на ча стоту принимаемого сигнала, то полосу пропускания усилителя берут равной полосе спектра частот сигнала. В тех случаях, если приемник должен обеспечивать бесподстроечный прием, полосу пропускания усилителя берут больше полосы спектра частот сигнала на величину изменения промежуточной частоты, обусловленную нестабильностью частот гетеродина, передатчика и нестабильностью настройки частоты УПЧ. При наличии в приемнике автоматической подстройки частоты гетеродина полосу пропускания усилителя увеличивают на величину неточности работы этой автоматической подстройки. При широкой полосе пропускания усилителя (более 1 МГц) неточностью работы ав томатической подстройки частоты гетеродина обычно пренебрегают.
Полоса пропускания усилителя при приеме с подстройкой или при наличии в приемнике автоматической подстройки частоты гетеродина должна быть не меньше полосы спектра частот сигнала.
Полосы спектров частот некоторых сигналов следующие:
— для телефонии с AM Пс = 6 кГц
— для радиовещания с AM Пс = 9 — 13 кГц и с ЧМ Пс = = 250. кГц;
— для радиолокации импульсной II с = 1 — 10 МГц. ■Промежуточная частота (резонансная частота усилителя) зависит
от типа приемника, и ее значения обычно лежат в пределах от ПО кГц
>59