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 (
, где ω
с - частота усиливаемого сигнала, ω
0 - собственная частота контура) заряд
q на обкладках конденсатора изменяется по закону:
q = q0sinωct = CQE0sinωct. (1)
Здесь
E0 - амплитуда сигнала,
- добротность контура. Электростатическая энергия
W, запасаемая в конденсаторе, равна:
W = (q2/2C) = (q20/4C) (1-cos 2ωct). (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 ωн = 2ωс 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: ωн= 2ωс/n, где n = 1, 2, 3,... и т.д. При n = 1 С изменяется каждые четверть периода сигнала (Тс/4), при бо́льших n-через время, равное nTc/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 = (
Смакс -
Смин)/(
Смакс +
Смин) 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
Кус 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 (ω
2 = ω
н - ω
с, то энергия накачки расходуется на
усиление колебаний в обоих контурах. В этом случае K Параметр
ическое возбужд
ение
и усил
ение электр
ических колеб
аний
и при
усилитель превращается в генератор. Такой усилитель называется регенеративным. Если усиленный сигнал снимается со второго контура регенеративного усилителя, то усилитель является также
и преобразователем частоты. При ω
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
Кус.
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; Тс и Тн - периоды колебаний усиливаемого сигнала и сигнала накачки.
Рис. 3. Одноконтурные параметрические усилители.
Рис. 4. Схема двухконтурного параметрического усилителя.
Рис. 5. Параметрический усилитель бегущей волны.