возбуждение и усиление электрических колебаний, 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 с управляемой ёмкостью и разработаны малошумящие параметрические усилители СВЧ.
Рассмотрим принцип параметрического усиления и генерации на примере простейшей системы - колебательного контура , состоящего из постоянных сопротивления R, индуктивности L и ёмкости С , которая периодически изменяется во времени ( рис. 1 ). При резонансе (, где wс - частота усиливаемого сигнала, w0 - собственная частота контура) заряд q на обкладках конденсатора изменяется по закону:
q q 0sinwc t CQE 0sinwc t. (1)
Здесь E0 - амплитуда сигнала, - добротность контура. Электростатическая энергия W, запасаемая в конденсаторе, равна:
W ( q 2/2 C ) ( q 20/4 C ) (1-cos 2wc t ). (2)
Из (2) видно, что W изменяется с частотой, равной удвоенной частоте сигнала. Если в момент, когда q q 0 , ёмкость конденсатора С скачком изменить на D С (например, раздвинуть пластины конденсатора), то заряд q не успеет измениться, а энергия W изменится на величину (если D С/С < < 1):
D W - W D C/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 wн 2wс 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: wн2wс /n, где n 1, 2, 3,... и т.д. При n 1 С изменяется каждые четверть периода сигнала ( Т с/4), при больших n- через время, равное nT c / 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 ( С макс - С мин)/( С макс + С мин) называется глубиной изменения ёмкости. При ( m/ 2) Q - 1 коэффициент усиления неограниченно растет, при ( m /2) Q ³ 1 система превращается в параметрический генератор (см. Параметрическое возбуждение колебаний ). Основной недостаток одноконтурного параметрического усилителя - зависимость К ус 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 (w2 wн - wс, то энергия накачки расходуется на усиление колебаний в обоих контурах. В этом случае K ~ 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 w2 wн + wс вся энергия накачки и энергия, накопленная в сигнальном контуре, переходят в энергию колебаний суммарной частоты wн + wс. Такой параметрический усилитель называется нерегенеративным усилителем-преобразователем. Он устойчив при любом m и имеет широкую полосу пропускания, но обладает малым К ус.
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.