параметрическая генерация и усиление электромагнитных колебаний

ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ И УСИЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ - генерация и усиление эл--магн. колебаний за счёт работы, совершаемой внеш. источниками при периодич. изменении во времени реактивных параметров колебат. системы (ёмкости С и индуктивности L). П. г. и у. э. к. основаны на явлении параметрического резонанса.
Простейший параметрич. генератор представляет собой колебат. контур, в к-ром С или L меняются периодически около нек-рых ср. значений С₀ и L₀с частотой где - частота собств. колебаний контура с пост. параметрами. Если, напр., ёмкость изменяется синусоидально:

где т = (С_макс - С_мин)/(С_макс + С_мин) - глубина модуляции ёмкости, то при(Q 1 - добротность контура) энергетпч. потери за период колебаний меньше энергии, поступающей от накачки, и в контуре в результате неустойчивости возникает самовозбуждение колебаний с последующим установлением стационарного режима генерации (мягкий режим возбуждения). При значит. отстройке от значения (выход из зоны генерации) самовозбуждения не происходит, но при определённых условиях внеш. возбуждение контура достаточно сильным сигналом приводит к установлению незатухающих колебаний (жёсткий режим возбуждения).
"Недовозбуждённый" контур, в к-ром параметрич. накачка энергии несколько меньше её потерь (т < т_*), может быть использован как параметрич. усилитель. Действие накачки при этом в среднем эквивалентно уменьшению потерь, в результате чего амплитуда вынужденных колебаний от внеш. источника (сигнала) возрастает и мощность Р_вых, выделяемая в нагрузке, может превышать входную мощность сигнала P_вых поступающую в контур. Макс. значение коэф. усиления К = Р_вых/Р_вх в одноконтурном параметрич. усилителе равно 1/(1 - m/m_*)². При т т* усиление неограниченно растёт, усилитель превращается в генератор. Недостаток такого усилителя заключается в зависимости коэф. усиления от фазы усиливаемого сигнала по отношению к фазе накачки, изменяющей ёмкость.
От этого последнего недостатка свободны двухконтурные усилители (рис.), где по закону (*) изменяется, напр., ёмкость связи C_CB(t)между контурами, а частоты нормальных колебании и удовлетворяют соотношению Если связь между контурами слабая, то значения и близки к собств. частотам контуров. Один из них настраивается на частоту входного сигнала, а другой ("холостой") - на разностную частоту Выходное сопротивление (нагрузка) может быть включено как в первый контур (усиление на частоте сигнала), так и во второй (усиление с преобразованием частоты). Коэф. усиления в обоих случаях пропорц. 1/(1 - - m/m_*)², где теперь(C₁,C₂- ёмкости контуров), и при т т_*, как и в одноконтурном усилителе, наступает самовозбуждение (регенеративный усилитель).

Схема двухконтурного параметрического усилителя.

В др. случае, когда "холостой" контур настраивается на суммарную частоту самовозбуждение невозможно; энергия сигнала и накачки преобразуется в энергию колебаний на частоте и в результате возможно усиление колебаний, снимаемых со второго контура, по сравнению с входным сигналом. Такой нерегенсративный усилитель-преобразователь имеет сравиительно небольшой коэф. усиления, однако его достоинствами являются устойчивость и широкополосность. В двухконтурных усилителях обоих типов фаза колебаний в "холостом" контуре автоматически устанавливается оптимальной для усиления, так что коэф. усиления не зависит от фазы входного сигнала.
Возможность создания параметрич. генераторов и усилителей эл--магн. колебаний была выяснена в 1931 - 1933 Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Они разработали параметрич. машины (ёмкостные и индуктивные), преобразующие механич. энергию в электрическую за счёт изменений С или L механич. способом (при вращении вала), приводящих к параметрич. генерации. Однако практич. применение параметрич. устройства получили начиная с 50-х гг., когда появились полупроводниковые параметрич. диоды, ёмкость к-рых зависит от приложенного запирающего напряжения, и были изучены свойства сегнетоэлектриков (конденсатор с сегнетозлектриком позволяет получить переменную ёмкость), а также ферритов и сверхпроводников (на основе к-рых может быть создана переменная индуктивность). Периодич. изменение параметров достигается подключением к системе источника накачки с частотой
Примером параметрич. генератора является параметрон, в к-ром используется то обстоятельство, что в зависимости от фазы нач. возмущения в одноконтурном параметрич. генераторе возможно возбуждение колебаний с одинаковыми амплитудами, но различающихся по фазе на я. Т. о., простейший параметров "запоминает" фазу поступающего на него сигнала в двоичном коде и может быть использован в качестве элемента вычислит. устройств. Кроме того, параметрнч. генераторы могут использоваться как делители частоты: в одноконтурном - возбуждаются колебания с частотой а в двухконтурном возможны режимы, когда частота одного из генерируемых колебаний равна где п - достаточно большое целое число.
В высокочувствит. приёмных устройствах СВЧ-диапазона, используемых в системах радиолокации, радиоастрономии, космич. связи и др., применяются двухконтурные параметрич. усилители, обладающие низким уровнем собств. шумов. Причина малости шумов и том, что в них для усиления используются реактивные, в принципе лишённые шумов, элементы, тогда как в резистивных (ламповых, транзисторных) усилителях активный элемент неизбежно создаёт тепловые шумы, согласно Пайквиста формуле. Параметрич. системы применяются также для умножения частоты и гетеродинирования сигнала. В качестве колебат. систем в СВЧ-диапазоне используются объёмные резонаторы и элементы волноводной техники, а в качестве переменных ёмкостей - высокочастотные параметрич. диоды. Для дополнит. снижения собств. шумов используется охлаждение до темп-р жидкого гелия. Иногда применяются параметрич. усилители бегущей волны в виде цепочки резонаторов с параметрич. диодами, по к-рой распространяется сигнал. При надлежащей настройке резонаторов можно получить усиление в широкой полосе частот. Существуют также электронно-лучевые параметрич. усилители, в к-рых усиление сигнала достигается модуляцией электронного пучка.
В оптич. диапазоне частот для создания параметрич. генераторов и усилителей используются среды, параметры к-рых изменяются полем бегущей или стоячей волны накачки. В частности, если диэлектрич. проницаемость среды к изменяется по закону

где r - радиус-вектор точки, то возможно усиление или генерация пары волн с частотами и волновыми векторами k₁, k₂, если выполняются условия фазового синхронизмаk_н = k₁k₂. На этом основан принцип действия параметрич. генератора света.

Лит.: Люнселл У., Связанные и параметрические колебания в электронике, пер. с англ., М., 1964; Эткин В. С., Гершензон Е. М., Параметрические системы СВЧ на полупроводниковых диодах, М., 1964; Каплан А. Е., Кравцов Ю. А., Рылов В. А., Параметрические генераторы и делители частоты, М., 1900; Основы теории колебании, 2 изд., М., 1988.

Л. А. Островский, Н. С. Степанов.