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 (См. Параметрический полупроводниковый диод) с управляемой ёмкостью и разработаны малошумящие параметрические усилители (См. Параметрический усилитель) СВЧ.

         Рассмотрим принцип параметрического усиления и генерации на примере простейшей системы — колебательного контура (См. Колебательный контур), состоящего из постоянных сопротивления R, индуктивности L и ёмкости С, которая периодически изменяется во времени (рис. 1). При резонансе (с — частота усиливаемого сигнала, ω₀ — собственная частота контура) заряд q на обкладках конденсатора изменяется по закону:

         q = q₀sinω_ct = CQE₀sinω_ct. (1)

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

         W = (q²/2C) = (q²₀/4C) (1-cos 2ω_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 ΔС (например, раздвинуть пластины конденсатора), то заряд q не успеет измениться, а энергия W изменится на величину (если ΔС/С << 1):

         ΔW = -WΔC/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 ω_н = 2ω_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: ω_н= 2ω_с/n, где n = 1, 2, 3,... и т.д. При n = 1 С изменяется каждые четверть периода сигнала (Т_с/4), при бо́льших 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 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 ≥ 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 (ω₂ = ω_н — ω_с, то энергия накачки расходуется на усиление колебаний в обоих контурах. В этом случае K Параметрическое возбуждение и усиление электрических колебаний 2 = ω_н + ω_с вся энергия накачки и энергия, накопленная в сигнальном контуре, переходят в энергию колебаний суммарной частоты ω_н + ω_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 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. 1. Контур с периодически меняющейся ёмкостью С. Величина ёмкости равна C₀, когда пластины конденсатора сдвинуты (сплошные линии), и C₁, когда они раздвинуты (пунктир).

        

        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. 3. Одноконтурные параметрические усилители.

        

        Рис. 4. Схема двухконтурного параметрического усилителя.

        

        Рис. 5. Параметрический усилитель бегущей волны.