Параметричне збудження і посилення електричних коливань
Параметричне збудження і посилення електричних коливань, метод збудження і посилення електромагнітних коливань, в якому посилення потужності відбувається за рахунок енергії, що витрачається на періодичну зміну величини реактивного параметра (індуктивності L або ємкості З ) коливальної системи. На можливість використання параметричних явищ для посилення і генерації електричних коливань вперше вказали Л. І. Мандельштам і Н. Д. Папалекси, проте практичне вживання параметричний метод знайшов лише в 50-і рр. 20 ст, коли були створені параметричні напівпровідникові діоди з керованою ємкістю і розроблені малошумливі параметричні підсилювачі СВЧ(надвисокі частоти).
Розглянемо принцип параметричного посилення і генерації на прикладі простої системи — коливального контура, що складається з постійних опори R, індуктивності L і ємкості З , яка періодично змінюється в часі ( мал. 1 ). При резонансі (, де w з — частота підсилюваного сигналу, w 0 — власна частота контура) заряд q на обкладаннях конденсатора змінюється згідно із законом:
q = q 0 sinw з t = CQE 0 sinw з t. (1)
Здесь E 0 — амплітуда сигналу, — добротність контура. Електростатична енергія W, що запасається в конденсаторі, рівна:
W = ( q 2 /2 C ) = ( q 2 0 /4 C ) (1-cos 2w з t ). (2)
З (2) видно, що W змінюється з частотою, рівній подвоєній частоті сигналу. Якщо в мить, коли q = q 0 , ємність конденсатора З стрибком змінити на D З (наприклад, розсунути пластини конденсатора), то заряд q не встигне змінитися, а енергія W зміниться на величину (якщо D С/С << 1):
D W = - W D C/c . (3)
Звідси слідує, що результуюче збільшення енергії в контурі при періодичній зміні З максимально, якщо зменшувати ємкість в моменти, коли q максимально, а повертати величину ємкості до вихідного значення при q = 0. Це означає, що якщо змінювати З з частотою w н = 2w з і з певною фазою ( мал. 2 ), той пристрій, змінююче З , як би «накачує енергію» в контур двічі за період коливань. Якщо, навпаки, збільшувати З в моменти мінімальних значень q, те коливання в контурі ослаблятимуться. У загальнішому вигляді умова ефективного накачування має вигляд: w н = 2w з /n, де n = 1, 2, 3... і т.д. При n = 1 З змінюється кожні чверть періоду сигналу ( Т з /4), при великих n— через час, рівний nt з / 2.
Простий одноконтурний параметричний підсилювач зазвичай є коливальною системою, де ємність З змінюється в результаті дії гармонійної напруги від генератора накачування на напівпровідниковий параметричний діод, ємкість якого залежить від величини прикладеної до нього напруги. Конструктивно параметричний підсилювач СВЧ(надвисокі частоти) є «хвилеводним хрестом» ( мал. 3 ); по одному з хвилеводів (див. Радіохвилевід ) поширюється. підсилюваний сигнал, по іншому — сигнал накачування. У пересіченні хвилеводів поміщається параметричний діод. Коефіцієнт посилення по потужності приблизно рівний:
, (4)
де m = ( З макс — З мін )/( З макс + З мін ) називається глибиною зміни ємкості. При ( m/ 2) Q ® 1 коефіцієнт посилення необмежено зростає, при ( m /2) Q ³ 1 система перетворюється на параметричний генератор (див. Параметричне збудження коливань ). Основний недолік одноконтурного параметричного підсилювача — залежність До вус від співвідношення між фазами підсилюваного сигналу і сигналу накачування.
Цього недоліку немає в параметричних підсилювачів, що містять два контури і більше ( мал. 4 ). У двоконтурному параметричному підсилювачі частота і фаза коливань в другому («неодруженому») контурі автоматично встановлюються так, щоб задовольнити умовам ефективного накачування енергії. Якщо неодружений контур налаштований на частоту (w 2 = w н — w з , то енергія накачування витрачається на посилення коливань в обох контурах. В цьому випадку K ~ і при підсилювач перетворюється на генератор. Такий підсилювач називається регенеративним. Якщо посилений сигнал знімається з другого контура регенеративного підсилювача, то підсилювач є також і перетворювачем частоти. При w 2 = w н + w з вся енергія накачування і енергія, накопичена в сигнальному контурі, переходять в енергію коливань сумарної частоти w н + w з . Такий параметричний підсилювач називається нерегенеративним підсилювачем-перетворювачем. Він стійкий при будь-якому m і має широку смугу пропускання, але володіє малим До вус .
Окрім періодичної зміни ємкості за допомогою параметричних діодів, застосовуються і ін. види параметричної дії. Періодичну зміну індуктивності L здійснюють, використовуючи зміну еквівалентній індуктивності у феритів і надпровідників. Періодична зміна ємкості З отримують, використовуючи залежність діелектричній проникності діелектриків від електричного поля, структури метал — оксид — напівпровідник (поверхневі варактори) і ін. методами (див. Кріоелектроніка ). У електроннопроменевих параметричних підсилювачах використовуються нелінійні властивості електронного променя, що модулюється по щільності.
Поряд з параметричними підсилювачами резонаторів застосовуються параметричні підсилювачі хвилі, що біжить. Електромагнітна хвиля сигналу, поширюючись по хвилеводу, послідовно взаємодіє з кожним з розташованих на дорозі параметричних діодів (або ін. нелінійних елементів).
Ємкість діодів змінюється за рахунок накачування, що підводиться до резонаторів енергії. При правильно підібраних частотах, довжинах хвиль і напрямі поширення хвиль накачування і сигналу посилення сигналу експоненціально наростає у міру його поширення уздовж ланцюжка діодів ( мал. 5 ). У параметричних підсилювачах хвилі, що біжить, можна отримати смугу частот, що досягає 25% частоти, що несе (в резонаторів — декілька %).
Літ.: Мандельштам Л. І., Полн. собр. праць, т. 2, М.— Л,, 1947; Еткин Ст С., Гершензон Е. М., Параметричні системи СВЧ(надвисокі частоти) на напівпровідникових діодах, М., 1964; Регенеративні напівпровідникові параметричні підсилювачі (деякі питання теорії і розрахунку), М., 1965; Каплан А. Е., Кравцов Ю. А., Рилов Ст А., Параметричні генератори і дільники частоти, М., 1966; Лопухин Ст М., Рошаль А. С., Електроннопроменеві параметричні підсилювачі, М., 1968.
