ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК H03F7/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве входного малошумящего каскада в радиоприемных устройствах различного назначения.

Целью изобретения является уменьшение шумов.

На фиг.1 представлена конструкция параметрического усилителя (ПУ) в разрезе; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - узел I на фиг.1; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.5 - разрез В-В на фиг.3; на фиг.6 - разрез Г-Г на фиг.3; на фиг.7 - разрез Д-Д на фиг.3; на фиг.8 - разрез Е-Е на фиг. 1; на фиг.9 - конструкция ПУ с дополнительно введенными пластинами в разрезе; на фиг. 10 - разрез Е-Е на фиг.9; на фиг.11 - разрез И-И на фиг.9; на фиг.12 - узел II на фиг.9.

Параметрический усилитель содержит первый и второй отрезки 1 и 2 прямоугольного волновода, которые являются трактами сигнала и субгармонической накачки, соответственно и которые связаны один с другим торцами 3 и 4. Между торцами 3 и 4 размещается плоскопараллельная структура 5, включающая первую металлическую пластину 6, отделенные от нее соответственно первой и второй изолирующими пластинами 7 и 8 вторую и третью металлические пластины 9 и 10, на внешних поверхностях которых расположены соответственно третья и четвертая изолирующие пластины 11 и 12. В плоскопараллельной структуре 5 выполнены крестообразный вырез, образованный скрещенными под углом 90^о и взаимно совмещенными пазами 13 и 14 в пластине 6. Пазы 13 и 14 соответственно соосно отрезкам 1 и 2, плоскости поляризации которых взаимно ортогональны. На первой пластине 6 по диагонали 15 крестообразного выреза закреплены диоды 16. На второй и третьей пластинах 9 и 10 установлены под углом 45^о к плоскости поляризации отрезков 1 и 2 узлы 17 крепления контактных игл 18 диодов 16. Иглы 18, контактирующие с диодами 16, образуют контур первой холостой частоты. В первой и второй металлических вставках (пластинах) 19 и 20, примыкающих к торцам 3 и 4, выполнены прямоугольные отверстия 21 и 22, которые пластинами 23 и 24 соответственно замыкаются в прямоугольные резонаторы 25 и 26, являющиеся контурами накачки и второй холостой частоты.

Плоскости поляризации резонаторов 25 и 26 нормальны к диагонали 15, а их объемы связаны через продольные прорези в широких стенках с пазами 27 и 28 и соосно сопряжены с пазами 29 и 30, выполненными в пластинах 23 и 24, и с пазами 13 и 14.

Параметрический усилитель работает следующим образом.

На входы отрезков 1 и 2 сигнала и субгармонической накачки подаются усиливаемый сигнал с частотой ω_c и субгармо- ническая накачка с частотой ω_нс. Указанные колебания поступают на антипараллельно включенные диоды 16, образующие балансную схему ПУ, в которой формируется вольт-фарадная характеристика, изменяющаяся по закону гиперболического синуса.

Под воздействием субгармонической накачки с частотой ω_нс за счет "пиковой" нелинейности вольт-фарадной характеристики в паре диодов 16 возбуждаются колебания на частоте накачки ω_н. Колебания с частотой накачки ω_н поддерживаются в отрезке 2 благодаря диагональному смещению диодов 16 относительно его осей в виде высшего для субгармонической накачки типа колебаний Н₂₀, при этом диоды 16 включены относительно накачки ω_н после- довательно с противофазным их возбуждением. Контур резонатора первой холостой частоты ω_x1 образован емкостями диодов 16, индуктивностями контактных игл 18 и эквивалентным входным сопротивлением пазов 13 и 14 структуры 5. При идентичных характеристиках диодов 16, что достигается раздельной подачей оптимального смещения на каждый диод 16 пары, в средней точке эквивалентного контура напряжения первой холостой частоты ω_x1 и частоты накачки ω_н близки к нулю. Поэтому контактные иглы 18, служащие индуктивностью параллельного сигнального контура на частоте ω_c, не включаются в контур первой холостой частоты ω_x1 и отрезок 1 на основном типе колебаний Н₁₀ оказывается развязанным от контуров холостой частоты ω_x1 и накачки ω_н. Модуляция нелинейной емкости подаваемым входным сигналом ω_c пары параметрических диодов 16 обу- славливает возбуждение колебаний на частоте ω_x1=ω_нс-ω_c. В результате этого посредством параметрического взаимо- действия в контур сигнала на частоте ω_c вносится отрицательное сопротивление, за счет чего происходит усиление входного сигнала. Дополнительное улучшение характеристик достигается тем, что энергия колебаний на частоте накачки ω_н и второй комбинационной холостой частоте ω_x2=ω_н-ω_c концентрируется в контурах в виде прямоугольных резонаторов 25 и 26 с колебаниями типа Н_10n. Взаимодействие резонаторов с областью параметрического энергообмена формирует трехконтурную схему ПУ, способствуя снижению уровня шумов за счет уменьшения собственных потерь в цепях преобразования. Связи резонаторов с системой параметрического энергообмена оптимизи- руются подбором толщины пластин 19 и 20 в пределах от 0,05 до 1,5 мм и разворотом плоскостей поляризации резонаторов 25 и 26 относительно плоскостей поляризации отрезков 1 и 2 на углы α и β в пределах 45-25^о. Соотношение ширины и длины сторон прямоугольных резонаторов 25 и 26 определяет их резонансные длины волн в воздухе
λ_н = и λ_x2 = где λ_н и λ_x2 - длины волн накачки и второй холостой частоты;
n = 1,2,3...;
а_1,2 - длины широких стенок отверстий 21 и 22;
l_1,2 - толщина пластин 19.

Параметрический усилитель может быть преобразован в преобразователь частоты сигнала ω_c, например, путем введения полосковых цепей связи с холостым контуром.

Использование: в радиотехнике в качестве полупроводникового параметрического усилителя СВЧ. Сущность изобретения: параметрическом усилителе, содержащем соосно соединенные тракты сигнала и субгармонической накачки в виде отрезков прямоугольного волновода, контур холостой частоты и диод, отрезки прямоугольного волновода соединены ортогонально и между ними установлена введенная плоскопараллельная структура из первой, второй и третьей металлических пластин, изолированных одна от другой первой, второй, третьей и четвертой изолирующими пластинами. Контур первой холостой частоты образован встречно-включенными диодом и дополнительно введенным диодом, установленными по диагонали совмещенных крестообразных вырезов, выполненных в плоскопараллельной структуре. Кроме того, могут быть введены контуры накачки и второй холостой частоты в виде прямоугольных отверстий, выполненных в введенных первой и второй вставках, каждая из которых установлена между торцом одного из отрезков прямоугольного волновода и плоскопараллельной структурой. Толщины вставок и размеры прямоугольных отверстий выбираются из приведенных соотношений. 1 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий соосно соединенные тракт сигнала и субгармонической накачки в виде первого и второго отрезков прямоугольного волновода, контур первой холостой частоты и параметрический диод, отличающийся тем, что, с целью уменьшения шумов, введен дополнительный параметрический диод, отрезки первого и второго прямоугольных волноводов расположены в ортогональных плоскостях поляризации и связаны между собой через введенную плоскопараллельную структуру, которая включает первую металлическую пластину, с первой и второй изолирующими пластинами с обеих сторон, и вторую и третью металлические пластины, которые установлены одними поверхностями на первой и второй изолирующих пластин соответственно а на других их поверхностях размещены третья и четвертая изолирующие пластины соответственно, резонатор контура первой холостой частоты образован контактными иглами диодов, узлы крепления которых размещены на второй и третьей металлических пластинах соответственно, и диодами, установленными на первой металлической пластине в противоположных концах диагонали совмещенных крестообразных вырезов, которые выполнены в первой, второй и третьей металлических пластинах. 2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что в него введены первая и вторая металлические вставки с прямоугольными отверстиями, которые размещены между третьей изолирующей прокладкой и первым отрезком прямоугольного волновода и между четвертой изолирующей прокладкой и вторым отрезком прямоугольного волновода соответственно, при этом прямоугольные отверстия в металлических вставках выполнены резонансными на частотах накачки и второй холостой частоты, а толщины l₁ и l₂ первой и второй металлических вставок и длины прямоугольных отверстий a₁ и a₂ в них удовлетворяют условиям


где λ_н - длина волны накачки;
- длина волны второй холостой частоты;
n=1,2,3..... .