111.10)

Если принять типичные значения Кр = 20 дб, -~ =

Здесь Кр - коэффициент Зсиления по мощности; б - полоса пропускания, отнесенная к частоте сигнала.

= 0,3; тд = 0,3; / = 5-10в гц\ Ts= 1,5 10"2 о полоса пропускания такого усилителя составит Af = 10 Мгц.

Выражение (11.10) отражает общую закономерность: из параметров диода главную роль для повышения широкополо-сности усилителя играет эффективная глубина модуляции диода /Лд.

Динамический диапазон. Для ряда практических применений ППУ существенную роль играет вид его амплитудной характеристики. Очевидно, что при достаточно большой мощности канала Р i всегда должен наблюдаться спад коэффициента усиления Кр, последнее следует из того, что мощность, поступающая из цепи накачки в цепь сигнала Р-ХКр- 1), должна быть меньше мощности, отдаваемой генератором накачки Рг- При наличии сигнала на входе усилителя в цепи накачки расходуется дополнительная мощность {Кр- l)Pi, и, следовательно, в нее вносится некоторое сопротивление Рв. зависящее от величины Pj. Изменение импеданса цепи накачки сопровождается снижением тока накачки. В свою очередь, это приводит к уменьшению глубины модуляции /Пд, к изменению средней емкости диода и, следовательно, к изменению коэффициента усиления Кр. Второй механизм насыщения связан с непосредственным воздействием тока сигнала на среднюю емкость диода, что приводит к расстройке усилителя и к уменьшению величины Кр-

С учетом обоих механизмов амплитудная характеристика одноконтурного усилителя на диоде с резким р-п переходом имеет следующий вид:

Кр( I. 9Й2 р. q .. Р?

Здесь

6 = Г1-Г и a = {f.i-Y.

(11.11)

Анализ этого выражения позволяет сделать следующие выводы.

1. В области а « 1, т. е. при небольшом рассогласовании цепи накачки, нелинейность амплитудной характеристики усилителя определяется изменением тока в цепи накачки. Увеличение а (рассогласование или расстройка цепи накачки) и одновременное увеличение мощности генератора накачки Рг ослабляет этот эффект и позволяет расширить динамический диапазон усилителя.

2. При неограниченной мощности генератора накачки и сильно рассогласованной или расстроенной цепи накачки (а > 1), нелинейность амплитудной характеристики определяется изменением средней емкости диода.

Мерой линейности амплитудной характеристики ППУ является мощность насыщения, т. е. такое значение мощности входного сигнала Р,, при котором коэффициент усиления уменьщается в заданное число раз.

В обоих случаях, рассмотренных выше, мощность насыщения пропорциональна величине Рг и, следовательно, будет больше при использовании диодов с большей емкостью, более высоким пробивным напряжением (если Pj, ограничена максимальной реактивной мощностью диода) и с большей величиной допустимой рассеиваемой мощности (если Рг ограничена ею).

Эти результаты относятся также к диодам с плавным р-п переходом и к другим типам усилителей [9].

Шумы параметрических диодов. Основным источником шумов диода при работе его в параметрическом усилителе на СВЧ являются тепловые шумы последовательного сопротивления г.

Однако при практическом использовании диодов предположение о шумах как об единственном источнике шумов диода может нарушиться. В частности, это имеет место, когда диод работает в режиме частичного детектирования напряжения накачки. Этот режим может возникать непроизвольно при попытке реализовать максимальный коэффициент модуляции емкости диода путем увеличения амплитуды накачки. К сожалению, величина выпрямленного тока, протекающего в цепи смещения диода, не может во всех случаях служить количественным критерием правильности выбора режима диода. Дело в том, что хороший параметрический диод может оказаться очень плохим детектором СВЧ, поэтому протекание даже сравнительно небольшо-

го выпрямленного тока в цепи смещения может сопровождаться значительным увеличением шумов. Вместе с тем режим с частичным детектированием накачки позволяет повысить эффективный коэффициент модуляции емкости, что дает выигрыш в широкополосности системы. Экспериментальным путем можно достигнуть приемлемого компромисса между ухудшением коэффициента шума и улучшением широкополосности системы [22].

В режиме без детектирования накачки коэффициент шума параметрического усилителя может быть рассчитан, если известны параметры диода [9].

В качестве примера рассмотрим коэффициент шума сильно регенерированного одноконтурного ППУ:

f=l + t;r- (11.12)

Здесь Т - температура диода.

Типичный диод с т= 1,5-10-2 сек в рабочей точке на частоте 5 Ггц при комнатной температуре и при умеренном эффективном коэффициенте модуляции - 0,3 обеспечивает коэффициент шума 1,6 дб.

Коэффициент шума F параметрического усилителя существенно зависит (11.12) от температуры диода Т.

Диод, рассмотренный выше (с т, = 1,5-Ю- се/с), при охлаждении до температуры жидкого азота Т = 78° К должен обеспечивать на частоте 5 Ггц получение коэффициента шума F = 0,55 дб. Следовательно, охлаждение параметрических усилителей является эффективным средством для снижения величины F, если при охлаждении не произойдет существенного роста величины т.

В литературе опубликованы многочисленные сообщения о разработках охлаждаемых параметрических усилителей. В частности, в работах [23, 25] приводятся результаты изучения влияния охлаждения диодов на эффективную шумовую температуру усилителя. На рис. 11.4 приведены полученные экспериментально зависимости шумовой температуры усилителя от температуры диодов из германия, кремния и арсенида галлия. Как видно, у всех типов диодов наблюдается спад шумовой температуры, примерно пропорциональный уменьшению температуры диода, что говорит о слабой зависимости величины от температуры у этих