2) обеспечение надежности работы усилителен при эксплуатации в различных условиях;

3) снижение уровня шумов входных устройств коротковолновой части диапазона СВЧ.

Создание параметрических усилителей на базе использования свойств твердого тела при низких температурах может наиболее полно удовлетворить всем этим требованиям.

К основным известным методам создания охлажденных параметрических усилителей относятся:

- полное охлаждение усилителя вместе с входным ферритовым устройством и нагрузкой в тракте разностной частоты (при ее наличии);

- охлаждение только параметрического диода;

- охлаждение одной нагрузки в тракте разностной частоты усилителя - в двухконтурной регенеративной схеме.

При включении ПУ с циркулятором на отражение , когда нагрузка подключена к одному из плеч циркуля-тора, коэффициент усиления на резонансной частоте определится выражением, полученным в § 1 для обобщенной схемы усилителей:

Коэффициент регенерации ао, согласно теории параметрических усилителей, на резонансной частоте coi равен

<<JlC02(,g/<l/<2

где т - коэффициент модуляции емкости диода;

Со - постоянная составляющая переменной емкости диода;

/?2 - активное сопротивление в цепи контура разностной частоты (аналогично /?,);

-коэффициент связи, учитывающий величину Rs+Rn активного последовательного сопротивления потерь диода и потерь контура При связи генератора с контуром больше критической коэффициент связи р численно равен КСВ, измеряемому со стороны генератора при выключенном гене-

раторе накачки; при связи меньше критической Р = КБВ.

Как известно, если параметрический диод работает в качестве переменной емкости при обратном смещении, то дробовые шумы, вызванные токами через его переход, могут быть полностью устранены. Однако в двухконтур-ном усилителе в первый контур будут неизбежно вноситься тепловые шумы из второго контура, учитываемые вносимой э. д. с. бшц. Тогда для выходной мощности шумов за счет первого и второго контуров, настроенных соответственно на сигнальную coi и разностную соа частоты, запишем

ШС ВЫХ-I1Ш АГ -

4kTR,AfR,

Zi-Z

(3.37)

где Z - полное отрицательное сопротивление,

2ic<oi/?i

(3.38)

2ic и - сопротивления связи контуров, обусловленные наличием неременной емкости диода [1]: т т

и Z,c=-

/Ш1С0 2* /Ш2С0

Квадрат напряжения шумов во втором контуре определится как

\eX = RAl (3.39)

Затем после простейших преобразований найдем эффективную температуру шума ПУ, работающего на отражение , элементы которого находятся при одной температуре Гу:

\ R.

Rr)~

= Гу

Rn \ I ,

1 I Rn \ R<t R. R.

(3.40)

где коэффициент связи генератора с контуром

(3.41)

Эквивалентная схема регенеративного параметрического усилителя-преобразователя с выходом на разностной частоте сог представлена на рис. 3.3. Источник

Рис. 3.3. Эквивалентная схема контуров параметрического усилителя-преобразователя (-и -Z - полные отрицательные сопротивления, вносимые в / и II контуры).

э. Д. С, возникающей в контуре II за счет тепловых шумов, обозначен через ег. Э. д. с, вносимая из контура 1 под влиянием тока h на частоте сигнала, находится по формуле

(3.42)

На резонансной частоте

ВН2 I - .!J I 1

Найдем коэффициент усиления регенеративного усилителя-преобразователя:

2 4 г ei2-Z*a,2

- - . 4ао Pi h

(1-осо) /?i/?2<0i ~ (1 - оГ 1 + Pi 1 + Рг

(3 43)

Выражение для ао занин1см через те же практически измеряемые параметры:

Y(l+Pi)(l+P=) - 138 -

(3.44)

где Qz=zQjjn----динамическая добротность пара-

метрического диода па частоте сигнала;

Qni-добротность диода на частоте ы,; и Сд - сопротивление потерь и емкость диода в рабочей точке; т - коэффициент модуляции емкости. Теперь легко определить коэффициент шума, для чего найдем величину мощности шумов на сопротивлении нагрузки в контуре II:

zp

(3.45)

На резонансной частоте при одинаковой температуре всех элементов усилителя

kToAfi

Rt-Rh о

RiR2 (1 - ao)= coi

Rr т7~<л2

/ Rr -\- Rn 1 \ Ту

Отсюда эффективная температура шума

Pi (02 а I р,

(3.46)

(3.47)

При работе ПУ с большим коэффициентом усиления (при а~1) выражения для Гш двухконтурного регенеративного ПУ в отражательном и преобразовательном режимах тождественны:

7ш=Гу[1/,р, + 1/у(1 + 1/р,)] = 7уС,

Y = C02/ i,

(3.48)

Из (3.48) следует, что достичь существенного выигрыша в чувствительности усилителя можно только при охлаждении схемы до температур жидкого азота, неона, гелия. Обычное охлал<дение (до температур -60-=--40°С), которое может быть обеспечено, например, за

счет известных термоохладитслей, ни в коей мере не решает этой задачи.

Можно показать, что в большей части диапазона СВЧ величина С2<1, так как у>1 и Pi>l. Следовательно, при охлаждении параметрического усилителя до температуры жидкого гелия (4,2° К) его температура шума может снизиться до Гш<4,2°К, т. е. достигнет величин, получаемых от квантовых парамагнитных усилителей.

В настоящее время для аппаратуры различного применения наиболее удобны в эксплуатации недорогие криогенные установки, обеспечивающие охлаждение до температуры жидкого азота. Поэтому большой интерес представляет исследование возможности создания параметрических усилителей, имеющих уже при температуре жидкого азота шумы, близкие к шумам квантовых парамагнитных усилителей. Из (3.48) видно, что для решения этой задачи должно выполняться соотношение С<0,1. Это может быть достигнуто за счет использования таких свойств полупроводников и металлов при низких температурах, которые приведут к увеличению собственных добротностей резонаторов и уменьшению потерь в диоде. При этом, конечно, необходим также оптимальный выбор режима охлажденного усилителя и его конструкции.

Для температуры шума одноконтурного ПУ в двухполосном режиме можно записать (при /Со>1)

Тш=Тг

Qbhi

Т\~й Ч мин -

В качестве примера на рис. 3.4. представлены результаты расчета зависимости Тш от температуры Гу. На этом рисунке пунктиром показана зависимость Тш от Гу для случая уменьшения потерь в контуре при охлаждении, а также нанесены некоторые экспериментальные точки, полученные рядом авторов. Как видно из этих графиков, уже при температуре кипения жидкого азота шумовая температура усилителей может уменьшиться примерно до 10-50° К. Запишем полностью выражение для коэффициента связи Pi с учетом (3.30):

QrhI QbhiN I I QpHl

140 -

(3.49)

Из (3.49) следует, что величина Pi, определяющая основные характеристики ПУ, и в первую очередь его шумы, может изменяться в широких пределах в завиеи-мости от значений добротностей диода и резонаторов при охлаждении, а также ст коэффициента включения Ль Для иллюстрации влияния потерь в стенках резонатора, которые зависят от температуры, на добротность

зои г.

Рис. 3.4. Зависимость шумовой температуры одноконтурного (вырожденного) ПУ от температуры охлаждения в градусах Кельвина, (о и + ЭКсперимеитальные точки.)

резонатора с диодом удобно воспользоваться графиком рис. 3.5. Из графика видно, что потери в стенках резонатора, характеризуемые добротностью Qct, могут быть одного порядка с потерями за счет диода, а при малых значениях т диода - даже превышать их. Однако чаще всего именно потери в диоде определяют собственную добротность резонатора Qo, к тому же при глубоком охлаждении потери в стенках резонатора, как будет показано ниже, могут быть значительно уменьшены. Следовательно, размеры резонаторов могут

141 -