Конспект лекций для студентов 4 курса дневного отделения специальности 210401. 65 «Физика и техника оптической связи»

Регенеративные малошумящие усилители диапазона СВЧ


Многие из применяющихся в настоящее время малошумящих усилителей являются регенеративными или усилителями с положительной обратной связью, которая сопровождается внесением в сигнальную цепь отрицательной проводимости. Поэтому часто их называют усилителями с отрицательной проводимостью или усилителями с отрицательным сопротивлением.
В зависимости от физической основы создания эффекта отрицательной проводимости регенеративными могут быть квантовые парамагнитные усилители, параметрические усилители, усилители на тунельных диодах и т.д.
Эти усилители характеризуются рядом общих свойств, которые рас­сматриваются далее.
В регенеративных СВЧ-усилителях регенерирующий элемент обычно включается в колебательную систему, определенным образом связанную с источником сигнала и нагрузкой. В общем случае эта связь может осущест­вляться через одну или две пары зажимов. Соответственно различают отражательные и проходные регенеративные усилители.
Отражательные усилители для разделения приходящей волны и уси­ленной отраженной сигнальной волны предполагают использование невзаимных устройств - ферритовых циркуляторов, а а проходных - вентили.

Усилитель отражательного типа
Рис.5 7.а.

Упрощенные структурные схемы отражательного и проходного усилителей представлены на рисунке 5.7.а, б.

Усилитель проходного типа

Рис.5 7.б.

Коэффициент усиления по мощности усилителя отражательного типа определяется как


, (5.20)


где Р_отр - мощность отраженной волны сигнала;
Р_пад - мощность сигнала от источника;

z_вх - входное сопротивление резонатора с регенерирующим элементом;
z₀ - волновое сопротивление плеча циркулятора.
Эквивалентные схемы отражательного и проходного усилителей можно представить следующим образом (рис. 5.8.а, б).

Эквивалентная схема усилителя отражательного типа
Рис.5 8

Эквивалентная схема усилителя проходного типа
Рис.5.8.б

Д ля эквивалентной схемы отражательного усилителя характерно то, что в ней присутствует лишь одно вносимое сопротивление . Это объясняется тем, что резонатор подключается к одному плечу циркуля-тора и сопротивление генератора и нагрузки, вносимые в контур, оказываются физически совмещенными.

Оценим параметры таких усилителей. Первоначально рассмотрим уси­литель проходного типа.
Коэффициент усиления по мощности такого усилителя определяется по формуле


, (5.21)

где - мощность сигнала, выделяемая в нагрузке;

- номинальная мощность источника сигнала;

- полное сопротивлении сигнального кон­тура.
Отсюда следует, что
. (5.22)

При резонансе

. (5.23)


Вводя коэффициент регенерации, определяемый отношением вносимо­го отрицательного сопротивления к полному активному сопротивлению нагруженного контура
, (5.24)

получим
. (5.25)

Если резонансная система представляет собой одиночный контур, для которого вблизи резонансной частоты обобщенная расстройка (где ), а нагруженная добротность сигналь­ного контура определяется выражением , то относительная полоса пропускания по уровню половинной мощности равна .

Поскольку рассматриваемый усилитель охвачен положительной обрат­ной связью, оценим площадь его усиления


. (5.26)

Считая и , имеем для усилителя проходного типа

. (5.27)


Проводя аналогичный анализ отражательного усилителя, можно пока­зать, что для него
. (5.28)


Сравнение последних формул показывает, что отражательный усилитель при прочих равных условиях характеризуется большей широкополосностыо и, следовательно, в этом отношении имеет преимущества по сравнению с проходными.
Основным недостатком регенеративных усилителей является их узкополосность. На практике при усилении 13÷20 дб относительная полоса пропускания составляет единицы процентов. Для расширения полосы

пропускания регенеративных усилителей используют специальные корректирующие цепи или более сложные резонансные системы, которые позволяют расширить полосу пропускания до 30÷40 % от несущей.