ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ И УСИЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ

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 (mмощность Рвых, выделяемая в нагрузке, может превышать мощность сигнала Рвх, поступающую в контур. Макс. значение коэфф. усиления в одноконтурном параметрическом усилителе равно 1/(1-(m/m*))2. При m ®m* усиление неограниченно растёт и усилитель превращается в генератор.

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.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.