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 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.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.