Параметрическое возбуждение и усиление электрических колебаний

Параметрическое возбуждение и усиление электрических колебаний, метод возбуждения и усиления электромагнитных колебаний, в котором усиление мощности происходит за счёт энергии, затрачиваемой на периодическое изменение величины реактивного параметра (индуктивности L или ёмкости С) колебательной системы. На возможность использования параметрических явлений для усиления и генерации электрических колебаний впервые указали Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси, однако практическое применение параметрический метод нашёл лишь в 50-е гг. 20 в., когда были созданы параметрические полупроводниковые диоды с управляемой ёмкостью и разработаны малошумящие параметрические усилители СВЧ(сверхвысокие частоты).

  Рассмотрим принцип параметрического усиления и генерации на примере простейшей системы — колебательного контура, состоящего из постоянных сопротивления R, индуктивности L и ёмкости С, которая периодически изменяется во времени (рис. 1). При резонансе (, где w_с — частота усиливаемого сигнала, w₀ — собственная частота контура) заряд q на обкладках конденсатора изменяется по закону:

  q = q₀sinw_ct = CQE₀sinw_ct. (1)

  Здесь E₀ — амплитуда сигнала,  —  добротность контура. Электростатическая энергия W, запасаемая в конденсаторе, равна:

  W = (q²/2C) = (q²₀/4C) (1-cos 2w_ct). (2)

  Из (2) видно, что W изменяется с частотой, равной удвоенной частоте сигнала. Если в момент, когда q = q₀, ёмкость конденсатора С скачком изменить на DС (например, раздвинуть пластины конденсатора), то заряд q не успеет измениться, а энергия W изменится на величину (если DС/С << 1):

  DW = -WDC/C. (3)

  Отсюда следует, что результирующее увеличение энергии в контуре при периодическом изменении С максимально, если уменьшать ёмкость в моменты, когда q максимально, а возвращать величину емкости к исходному значению при q = 0. Это означает, что если изменять С с частотой w_н = 2w_с и с определённой фазой (рис. 2), то устройство, изменяющее С, как бы «накачивает энергию» в контур дважды за период колебаний. Если, наоборот, увеличивать С в моменты минимальных значений q, то колебания в контуре будут ослабляться. В более общем виде условие эффективной накачки имеет вид: w_н= 2w_с/n, где n = 1, 2, 3,... и т.д. При n = 1 С изменяется каждые четверть периода сигнала (Т_с/4), при больших n—через время, равное nT_c/2.

  Простейший одноконтурный параметрический усилитель обычно представляет собой колебательную систему, где ёмкость С изменяется в результате воздействия гармонического напряжения от генератора накачки на полупроводниковый параметрический диод, ёмкость которого зависит от величины приложенного к нему напряжения. Конструктивно параметрический усилитель СВЧ(сверхвысокие частоты) представляет собой «волноводный крест» (рис. 3); по одному из волноводов (см. Радиоволновод) распространяется. усиливаемый сигнал, по другому — сигнал накачки. В пересечении волноводов помещается параметрический диод. Коэффициент усиления по мощности приближённо равен:

  , (4)

  где m = (С_макс — С_мин)/(С_макс + С_мин) называется глубиной изменения ёмкости. При (m/2) Q ® 1 коэффициент усиления неограниченно растет, при (m/2) Q ³ 1 система превращается в параметрический генератор (см. Параметрическое возбуждение колебаний). Основной недостаток одноконтурного параметрического усилителя — зависимость К_ус от соотношения между фазами усиливаемого сигнала и сигнала накачки.

  Этого недостатка нет у параметрических усилителей, содержащих два контура и больше (рис. 4). В двухконтурном параметрическом усилителе частота и фаза колебаний во втором («холостом») контуре автоматически устанавливаются так, чтобы удовлетворить условиям эффективной накачки энергии. Если холостой контур настроен на частоту (w₂ = w_н — w_с, то энергия накачки расходуется на усиление колебаний в обоих контурах. В этом случае K ~  и при  усилитель превращается в генератор. Такой усилитель называется регенеративным. Если усиленный сигнал снимается со второго контура регенеративного усилителя, то усилитель является также и преобразователем частоты. При w₂ = w_н + w_с вся энергия накачки и энергия, накопленная в сигнальном контуре, переходят в энергию колебаний суммарной частоты w_н + w_с. Такой параметрический усилитель называется нерегенеративным усилителем-преобразователем. Он устойчив при любом m и имеет широкую полосу пропускания, но обладает малым К_ус.

  Кроме периодического изменения ёмкости с помощью параметрических диодов, применяются и др. виды параметрического воздействия. Периодическое изменение индуктивности L осуществляют, используя изменение эквивалентной индуктивности у ферритов и сверхпроводников. Периодическое изменение ёмкости С получают, используя зависимость диэлектрической проницаемости диэлектриков от электрического поля, структуры металл — окисел — полупроводник (поверхностные варакторы) и др. методами (см. Криоэлектроника). В электроннолучевых параметрических усилителях используются нелинейные свойства электронного луча, модулированного по плотности.

  Наряду с резонаторными параметрическими усилителями применяются параметрические усилители бегущей волны. Электромагнитная волна сигнала, распространяясь по волноводу, последовательно взаимодействует с каждым из расположенных на пути параметрических диодов (или др. нелинейных элементов).

  Емкость диодов изменяется за счёт подводимой к резонаторам энергии накачки. При правильно подобранных частотах, длинах волн и направлении распространения волн накачки и сигнала усиление сигнала экспоненциально нарастает по мере его распространения вдоль цепочки диодов (рис. 5). В параметрических усилителях бегущей волны можно получить полосу частот, достигающую 25% несущей частоты (у резонаторных — несколько %).

  Лит.: Мандельштам Л. И., Полн. собр. трудов, т. 2, М.— Л,, 1947; Эткин В. С., Гершензон Е. М., Параметрические системы СВЧ(сверхвысокие частоты) на полупроводниковых диодах, М., 1964; Регенеративные полупроводниковые параметрические усилители (некоторые вопросы теории и расчета), М., 1965; Каплан А. Е., Кравцов Ю. А., Рылов В. А., Параметрические генераторы и делители частоты, М., 1966; Лопухин В. М., Рошаль А. С., Электроннолучевые параметрические усилители, М., 1968.

  В. И. Зубков.

Рис. 4. Схема двухконтурного параметрического усилителя.

Рис. 2. Связь между изменением напряжения на ёмкости и изменением величины ёмкости: а) напряжение усиливаемого сигнала на конденсаторе, когда величина ёмкости не меняется; б) увеличение напряжения сигнала на конденсаторе в процессе параметрического усиления; в) изменение ёмкости в процессе параметрического усиления; Т_с и Т_н — периоды колебаний усиливаемого сигнала и сигнала накачки.

Рис. 1. Контур с периодически меняющейся ёмкостью С. Величина ёмкости равна C₀, когда пластины конденсатора сдвинуты (сплошные линии), и C₁, когда они раздвинуты (пунктир).

Рис. 3. Одноконтурные параметрические усилители.

Рис. 5. Параметрический усилитель бегущей волны.