ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ И УСИЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИИ

ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ И УСИЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИИ метод возбуждения и усиления электромагнитных
колебаний, в к-ром усиление мощности происходит за счёт энергии, затрачиваемой
на периодич. изменение величины реактивного параметра (индуктивности L
или
ёмкости С) колебательной системы. На возможность использования параметрич.
явлений для усиления и генерации электрич. колебаний впервые указали Л.
И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси, однако практич. применение
параметрич. метод нашёл лишь в 50-е гг. 20 в., когда были созданы
параметрические
полупроводниковые диоды с управляемой ёмкостью и разработаны малошумящие
параметрические
усилители СВЧ.

Рассмотрим принцип параметрич. усиления
и генерации на примере простейшей системы - колебательного контура,
состоящего
из постоянных сопротивления R,
индуктивности
L и ёмкости
С,
к-рая периодич. изменяется во времени (рис. 1).

При резонансе (w = w
= корень квадратный из 1/LC, где wсигнала, wконденсатора изменяется по закону:

Рис. 1. Контур с периодически меняющейся
ёмкостью С. Величина ёмкости равна Ссдвинуты (сплошные линии), и C

Здесь EQ = = (корень квадратный из L/C)/R - добротность контура. Электростатич.
энергия W, запасаемая в конденсаторе, равна:

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

Отсюда следует, что результирующее увеличение
энергии в контуре при периодич. изменении С максимально, если уменьшать
ёмкость в моменты, когда q максимально, а возвращать величину ёмкости
к исходному значению при q = 0. Это означает, что если изменять
С с частотой w 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 миним.
значений q, то колебания в контуре будут ослабляться. В более общем
виде условие эффективной накачки имеет вид: w = 2w/n,
где n = 1, 2, 3, ... и т. д. При n = 1 С изменяется каждые
четверть периода сигнала (Тn-через
время, равное nТ/2.

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

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

где< т <= (С-- С

Рис. 3. Одноконтурные параметрические
усилители.

наз. глубиной изменения ёмкости. При (m/2)
Q -" 1 коэфф. усиления неограниченно растёт, при (m/2) Q >=1
система
превращается в параметрич. генератор (см. Параметрическое возбуждение
колебаний). Осн. недостаток одноконтурного параметрич. усилителя -
зависимость Кус от соотношения между фазами усиливаемого сигнала и сигнала
накачки.

Этого недостатка нет у параметрич. усилителей,
содержащих два контура и больше (рис. 4). В двухконтурном параметрич. усилителе
частота и фаза колебаний во втором ("холостом") контуре автоматически устанавливаются
так, чтобы удовлетворить условиям эффективной накачки энергии. Если холостой
контур настроен на частоту w =w-
w, то

Рис. 4. Схема двухконтурного параметрического
усилителя.

энергия накачки расходуется на усиление
колебаний в обоих контурах. В этом случае

и при

усилитель превращается в

генератор. Такой усилитель наз. регенеративным.
Если усиленный сигнал снимается со второго контура регенеративного усилителя,
то усилитель является также и преобразователем частоты. При w
= wвся энергия накачки и энергия, накопленная
в сигнальном контуре, переходят в энергию колебаний суммарной частоты w+ w. Такой параметрический усилитель наз. н е-регенеративным
усилителем-преобразователем. Он устойчив при любом т и имеет широкую
полосу пропускания, но обладает малым К

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

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

Рис. 5. Параметрический усилитель бегущей
волны.

Ёмкость 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 параметрич. усилителях бегущей волны можно получить полосу
частот, достигающую 25% несущей частоты (у резонаторных - неск. % ).

Лит.: Мандельштам Л. И., Поля, собр.
трудов, т. 2, М.- Л., 1947; Эткин В. С., Гершензон Е. М., Параметрические
системы СВЧ 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.