«ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ И УСИЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ»

генерация и усиление эл.-магн. колебаний за счёт работы, совершаемой внеш. источниками при периодич. изменении во времени реактивных параметров колебат. системы (ёмкости С и индуктивности L). П. г. и у. э. к. основаны на явлении параметрического резонанса. Простейший параметрич. генератор представляет собой колебательный контур, в к-ром С или L изменяются периодически около нек-рых ср. значений С0 и L0 с частотой wн=2w0, где w0 — частота собств. колебаний контура с пост. параметрами. Если, напр., ёмкость изменяется синусоидально:

C(t)=C0(1+mcoswяt), (1)

где m= (Смакс -Cмин)/(Cмакс+Cмин) глубина изменения ёмкости, то при т > m*=2/Q (Q — добротность контура) энергетич. потери меньше энергии накачки за период колебаний, и в контуре происходит самовозбуждение колебаний с последующим установлением стационарного режима генерации (мягкий режим генерации). При определ. условиях самовозбуждения не происходит, но внеш. возбуждение контура достаточно сильным сигналом приводит к установлению незатухающих колебаний (жёсткий режим генерации).

«Недовозбуждённый» контур, в котором параметрич. накачка энергии несколько меньше потерь энергии (m

Схема двухконтурного параметрического усилителя.

Недостаток такого усилителя заключается в зависимости коэфф. усиления от фазы усиливаемого сигнала по отношению к фазе «накачки», изменяющей ёмкость. От этого недостатка свободны двухконтурные усилители (рис.), где по закону (1) обычно изменяется ёмкость связи между контурами C(t), а частоты норм. колебаний w1, w2 удовлетворяют соотношению wн=w1±w2. Если связь между контурами слабая, а их добротности Q1 и Q2 достаточно велики, то значения w1 и w2 близки к собств. частотам контуров. Один из них настраивается на частоту входного сигнала, а другой («холостой») — на разностную частоту w2= wн-w1. Выходная нагрузка может быть включена как в первый контур (усиление на частоте сигнала), так и во второй (усиление с преобразованием частоты). Коэфф. усиления при этом хотя и различны, но в обоих случаях пропорц. 1/(1- m/m*)2, где теперь m*— =?(C1C2/C2Q1Q2) (C1, С2 —ёмкости контуров), и при m ®m*, как и в одноконтурном усилителе, наступает самовозбуждение (р е г е н е р а т и в н ы е у с и л и т е л и).

В др. случае, когда «холостой» контур настраивается на суммарную частоту w2=wн+w1, самовозбуждение невозможно; энергия сигнала и накачки преобразуется в энергию колебаний на частоте w2, в результате возможно усиление колебаний, снимаемых со второго контура, по сравнению с входным сигналом. Такой н е р е г е н е р а т и в н ы й у с и л и т е л ь-п р е о б р а з о в а т е л ь имеет небольшой коэфф. усиления, однако его достоинствами явл. устойчивость и широкополосность. В двухконтурных усилителях обоих типов фаза колебаний в «холостом» контуре автоматически устанавливается оптимальной для усиления, так что коэфф. усиления не зависит от фазы сигнала.

Возможность создания параметрич. генератора и усилителя эл.-магн. колебаний была выяснена Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси (1931 — 1933). Они разработали параметрич. машины (ёмкостные и индуктивные), преобразующие механич. энергию в электрическую за счёт изменений С или L (при вращении вала), приводящих к параметрической генерации. Однако практич. применение параметрические устройства получили в 50-е гг., когда появились полупроводниковые параметрич. диоды, ёмкость к-рых зависит от приложенного запирающего напряжения, и были изучены св-ва сегнетоэлектриков (конденсатор с сегнетоэлектриком — переменная ёмкость), ферритов и сверхпроводников (переменная индуктивность). Периодич. изменение параметров достигается подключением к системе источника «накачки» с частотой wн.

В высокочувствит. приёмных устройствах СВЧ диапазона, используемых в системах радиолокации, радиоастрономии и др., применяются двухконтурные параметрич. усилители, обладающие низким уровнем собств. шумов в сочетании с простотой и надёжностью конструкции. В качестве колебат. систем в СВЧ диапазоне используются объёмные резонаторы и элементы волноводной техники, а в качестве переменных ёмкостей — ВЧ параметрич. диоды. Для дополнит. снижения собств. шумов применяется охлаждение до темп-р жидкого гелия. Используются также электроннолучевые параметрические усилители, в к-рых усиление сигнала достигается модуляцией электронного пучка. Иногда применяются параметрические усилители бегущей волны в виде цепочки резонаторов с параметрич. диодами, по к-рой распространяется сигнал. При надлежащей настройке резонаторов в них можно получить усиление в широкой полосе частот.

В оптич. диапазоне для создания параметрич. генераторов и усилителей используются среды, параметры к-рых изменяются полем бегущей или стоячей волны накачки. В частности, если диэлектрическая проницаемость среды e изменяется но закону:

e(r, t)=(1+mcos(wнt-kнr)) (2)

(r — радиус-вектор точки), то возможно усиление или генерация двух волн с частотами w1, w2 и волн. векторами k1, K2 при выполнении условий волн. синхронизма wн=w1±w2, kн=k1±k2.

- генерация и усиление эл.-магн. колебаний за счёт работы, совершаемой внеш. источниками при периодич. изменении во времени реактивных параметров колебат. системы (ёмкости С и индуктивности L). П. г. и у. э. к. основаны на явлении параметрического резонанса.

Простейший параметрич. генератор представляетсобой колебат. контур, в к-ром С или L меняются периодическиоколо нек-рых ср. значений С ₀ и L₀ счастотой где - частота собств. колебаний контура с пост. параметрами. Если, напр., ёмкостьизменяется синусоидально:

где т =( С _макс- С _мин)/( С _макс + С _мин)- глубина модуляции ёмкости, то при (Q1 - добротность контура) энергетпч. потери за период колебаний меньшеэнергии, поступающей от накачки, и в контуре в результате неустойчивостивозникает самовозбуждение колебаний с последующим установлением стационарногорежима генерации (мягкий режим возбуждения). При значит. отстройке от значения (выход из зоны генерации) самовозбуждения не происходит, но при определённыхусловиях внеш. возбуждение контура достаточно сильным сигналом приводитк установлению незатухающих колебаний (жёсткий режим возбуждения).

"Недовозбуждённый" контур, в к-ром параметрич. <накачка энергии несколько меньше её потерь ( т< т_*),может быть использован как параметрич. усилитель. Действие накачки приэтом в среднем эквивалентно уменьшению потерь, в результате чего амплитудавынужденных колебаний от внеш. источника (сигнала) возрастает и мощностьР _вых, выделяемая в нагрузке, может превышать входную мощностьсигнала P _вых поступающую в контур. Макс. значениекоэф. усиления К = Р _вых/ Р _вх в одноконтурномпараметрич. усилителе равно 1/(1 - m/m_*)².При т т* усилениенеограниченно растёт, усилитель превращается в генератор. Недостаток такогоусилителя заключается в зависимости коэф. усиления от фазы усиливаемогосигнала по отношению к фазе накачки, изменяющей ёмкость.

От этого последнего недостатка свободныдвухконтурные усилители (рис.), где по закону (*) изменяется, напр., ёмкостьсвязи C_CB(t )между контурами, а частоты нормальныхколебании и удовлетворяютсоотношению Если связь между контурами слабая, то значения и близкик собств. частотам контуров. Один из них настраивается на частоту входногосигнала, а другой ("холостой") - на разностную частоту Выходное сопротивление (нагрузка) может быть включено как в первый контур(усиление на частоте сигнала), так и во второй (усиление с преобразованиемчастоты). Коэф. усиления в обоих случаях пропорц. 1/(1 - - m/m_*)²,где теперь (C₁,C₂-ёмкости контуров), и при т т _*, как и в одноконтурном усилителе, наступает самовозбуждение(регенеративный усилитель).

Схема двухконтурного параметрического усилителя.

В др. случае, когда "холостой" контур настраиваетсяна суммарную частоту самовозбуждение невозможно; энергия сигнала и накачки преобразуется в энергиюколебаний на частоте и в результате возможно усиление колебаний, снимаемых со второго контура, <по сравнению с входным сигналом. Такой нерегенсративный усилитель-преобразовательимеет сравиительно небольшой коэф. усиления, однако его достоинствами являютсяустойчивость и широкополосность. В двухконтурных усилителях обоих типовфаза колебаний в "холостом" контуре автоматически устанавливается оптимальнойдля усиления, так что коэф. усиления не зависит от фазы входного сигнала.

Возможность создания параметрич. генераторови усилителей эл.-магн. колебаний была выяснена в 1931 - 1933 Л. И. Мандельштамоми Н. Д. Папалекси. Они разработали параметрич. машины (ёмкостные и индуктивные),преобразующие механич. энергию в электрическую за счёт изменений С или L механич. способом (при вращении вала), приводящих к параметрич. <генерации. Однако практич. применение параметрич. устройства получили начинаяс 50-х гг., когда появились полупроводниковые параметрич. диоды, ёмкостьк-рых зависит от приложенного запирающего напряжения, и были изучены свойствасегнетоэлектриков (конденсатор с сегнетозлектриком позволяет получить переменнуюёмкость), а также ферритов и сверхпроводников (на основе к-рых может бытьсоздана переменная индуктивность). Периодич. изменение параметров достигаетсяподключением к системе источника накачки с частотой

Примером параметрич. генератора являетсяпараметрон, в к-ром используется то обстоятельство, что в зависимости отфазы нач. возмущения в одноконтурном параметрич. генераторе возможно возбуждениеколебаний с одинаковыми амплитудами, но различающихся по фазе на я. Т. <о., простейший параметров "запоминает" фазу поступающего на него сигналав двоичном коде и может быть использован в качестве элемента вычислит. <устройств. Кроме того, параметрнч. генераторы могут использоваться какделители частоты: в одноконтурном - возбуждаются колебания с частотой а в двухконтурном возможны режимы, когда частота одного из генерируемыхколебаний равна где п - достаточно большое целое число.

В высокочувствит. приёмных устройствахСВЧ-диапазона, используемых в системах радиолокации, радиоастрономии, космич. <связи и др., применяются двухконтурные параметрич. усилители, обладающиенизким уровнем собств. шумов. Причина малости шумов и том, что в них дляусиления используются реактивные, в принципе лишённые шумов, элементы, <тогда как в резистивных (ламповых, транзисторных) усилителях активный элементнеизбежно создаёт тепловые шумы, согласно Пайквиста формуле. Параметрич. <системы применяются также для умножения частоты и гетеродинирования сигнала. <В качестве колебат. систем в СВЧ-диапазоне используются объёмные резонаторыи элементы волноводной техники, а в качестве переменных ёмкостей - высокочастотныепараметрич. диоды. Для дополнит. снижения собств. шумов используется охлаждениедо темп-р жидкого гелия. Иногда применяются параметрич. усилители бегущейволны в виде цепочки резонаторов с параметрич. диодами, по к-рой распространяетсясигнал. При надлежащей настройке резонаторов можно получить усиление вширокой полосе частот. Существуют также электронно-лучевые параметрич. <усилители, в к-рых усиление сигнала достигается модуляцией электронногопучка.

В оптич. диапазоне частот для созданияпараметрич. генераторов и усилителей используются среды, параметры к-рыхизменяются полем бегущей или стоячей волны накачки. В частности, если диэлектрич. <проницаемость среды к изменяется по закону

где r - радиус-вектор точки, <то возможно усиление или генерация пары волн с частотами и волновыми векторами k₁, k₂, есливыполняются условия фазового синхронизма k _н= k₁k₂.На этом основан принцип действия параметрич. генератора света.

Лит.: Люнселл У., Связанные и параметрическиеколебания в электронике, пер. с англ., М., 1964; Эткин В. С., ГершензонЕ. М., Параметрические системы СВЧ на полупроводниковых диодах, М., 1964;Каплан А. Е., Кравцов Ю. А., Рылов В. А., Параметрические генераторы иделители частоты, М., 1900; Основы теории колебании, 2 изд., М., 1988.

Л. А. Островский, Н. С. Степанов.