Напряжение на варикапе создается обоими воздействующими на схему напряжениями: сигналом и накачкой. Как отмечалось в § 6.1, параметрические усилители используются, главным образом, для усиления слабых сигналов, поступающих на вход приемника. Напряжение же накачки должно быть таким, чтобы т было близким к /Икр. Поэтому в обычных режимах усиления напряжение на варикапе от накачки значительно больше напряжения, создаваемого на нем сигналом, что позволяет рассматривать варикап как емкость, периодически изменяющуюся с частотой сон, и пользоваться при анализе усилителя его упрощенной схемой (рис. 6.4), опуская цепи накачки и смещения как вспомогательные.

Рис. 6.14

Рис. 6.15

Коэффициент усиления К зависит от т, а потому и от смещения Е и амплитуды накачки С/н. На рис. 6.15а для случая ij; 0 показан характер зависимости К от амплитуды [/н при £=const: при (7н=0, т=0 и K=Q; с увеличением (7в возрастает т, следовательно, растет и К. При некоторой амплитуде Us=>Unvp tn= -гпщ, и общее активное сопротивление на рис. 6.4 станет равным нулю, К-°о и в схеме возникает самовозбуждение (область генерации заштрихована).

Характер зависимостей К от Е при г7н= const и ij;* 0 показан на рис. 6.156. При больших смещениях емкость С мало зависит от и, т мало, а потому K~Q. С уменьшением Е величины т и К возрастают и, если амплитуда if/н достаточно велика {Un), при некотором пг достигает величины тр и происходит самовозбуждение. Если же 1(7н не столь велика (С/ н<С/н), то самовозбуждение может не произойти, а при малых Е рост К может даже замедлиться из-за снижения добротности варикапа.

При приеме слабых сигналов частоты © в приемнике удается получить колебание с частотой накачки сон лишь приближенно равной частоте 2со. При этом реализуется асинхронный режим работы с сон=72со. Пусть

<Oh=2oi)+Q,

причем Q-Cco. При воздействии напряжения (6.57) частоты со на вход усилителя, емкость контура которого согласно (6.58) меняется с частотой ©н, в спектре тока, помимо составляющей частоты ©, появятся по меньшей мере еще две компоненты с комбинаци-242

онными частотами со-Юн-со и со4.=сон+<и. В рассматриваемом режиме эти частоты будут u)-=co+Q и co+=3co+Q. Спектр тока для этого случая изображен на рис. 6.16.

При Q Cco частоты со и со- оказываются близкими. Поэтому при попытке выделить полезную компоненту частоты со с помощью фильтра (или контура), частотная характеристика которого нанесена на рис. 6.16 пунктирной линией, мы неизбежно выделим и компоненту частоты со-. Сумма же двух близких частот образует биения, амплитуда и фаза которых изменяется с частотой со- .-a-Q. Следовательно, усиление сигнала в асинхронном режиме работы одноконтурного параметрического усилителя сопровождается воз1Никновением паразитной модуляции.

Когда на вход такого усилителя действует AM или ЧМ сигнал, модуляция, возникающая в усилителе, накладывается на полезную и искажает передаваемый сигнал. Это обстоятельство препятствует применению одноконтурных параметрических усилителей в аппаратуре связи.

i <1

Рис. о. 16

Рнс 6.17

6.6. ЧАСТОТНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ МЭНЛИ И РОУ

Вывод уравнений. В аппаратуре, работающей преимущественно на сверхвысоких частотах, широкое распространение получили устройства, в которых на нелинейный реактивный элемент одновременно воздействует несколько колебаний различных частот. К числу таких устройств относятся многоконтурные параметрические усилители, преобразователи и умножители частоты. Общей особенностью этих устройств является наличие нескольких контуров, настроенных на разные частоты и подсоединенных к нелинейному реактивному элементу. Колебания в контурах происходят на разных частотах и обладают различными мощностями. Частотно-энергетические соотношения Мэнли й Роу устанавливают связь между частотами колебаний в схеме и величинами мощностей, отдаваемых в нелинейную реактивность или получаемых от нее. При некоторых упрощающих предположениях соотношения между мощностями зависят только от отношения частот и не зависят от таких факторов, как уровни сигналов, вид нелинейной характеристики и т. п.

Уравнения Мэнли и Роу представляют мощный инструмент для выяснения принципа действия, основных особенностей и соотношений, характерных для упомянутых выше устройств. В частности,

эти соотношения показывают, на каких частотах (возможно усиление сигнала и какова предельная величина усиления, позволяют определить коэффициент полезного действия при преобразовании частоты, выявить, какие из схем могут быть неустойч1ивыми.

На рис. 6.17 приведена структурная схема параметрического преобразователя. Она содержит несколько колебательных контуров, настраиваемых совместно с емкостью С{и) на различные частоты. В двух из них, настроенных на частоты и юг, существуют колебания, вызванные наличием внешних источников таких же частот. В результате одновременного воздействия этих колебаний на нелинейную емкость (аналогичные результаты получаются для нелинейной индуктивности) напряжение на ней (а значит, и ток, и заряд) содержит гармоники и комбинационные частоты вида (От,п=тт-\-1г(й2, где т и п -любые целые числа. Остальные контуры настраиваются совместно с емкостью С{и) на комбинационные частоты 1(х)т,п- Эти контуры не содержат источников сигнала, поэтому колебания в них могут возникнуть только в результате преобразоваНия энергии колебаний одних частот в энергию колебаний других частот в нелинейном элементе. Заметим, что в линейных элементах такое преобразование невозможно.

Избирательность контуров учитывается включением в схеме рис. 6.17 идеальных полосовых фильтров Ф/j, имеющих нулевое сопротивление для частоты настройки контура ft и бесконечно большое для всех других частот. В результате заметную мощность на нагрузках Гг контуров могут выделять колебания только той частоты, на которую настроен контур. В последующем будем считать мощность, поступающую в нелинейную емкость от источников колебаний, положительной, мощность, отбираемую от нелинейной емкости, - отрицательной. Очевидно, мощности на комбинационных частотах могут быть только отрицательными.

Считаем, что нелинейная емкость не имеет потерь, ее вольт-ку-лонная характеристика q=F(u) является однозначной. Напряжение u{t) на емкости запишем в виде двойного ряда Фурье

ао 00

ы(0= f>m.n е( -+ -) * . (6.62)

т=-00 п=-00

Заряд и протекающий через емкость ток также содержат составляющие комбинационных частот ат,п- Поэтому можно записать:

(0= X S Qm. e(nco.-J- a,.)t (6/63)

m=-оо п=-со

i(f)= £ £ . е( -+ ). . (6.64)

т=-со п=-00

В (6.62) - (6.64) Um,n, Qm.n, im.n ~ комплсксные коэффициен-ты. Колебание каждой частоты в .(6.62) -. .(6.64) складывается из