Двухлучевой параметрический усилитель Советский патент 1983 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности в двухлучевым параметрическим усилителям, и может быть применено в радиолокации радиоастрономии и во всех ргщиотехнических системах, входной усилител которых должен обладать низким уровнем собственных шумов, широким динамическим диапазоном и способность выдерживать интенсивные перегрузки по уровню входного сигнала.

Известен электронно-лучевой параметрический усилитель, выполненный в виде входного резонатора с поперечным полем,квадрупольной зоны усиления и выходного резонатора с поперечным полем, пронизываемых электронным потоком, дрейфующим в однородном магнитном поле. На таких усилителях, получивших в литературе название ламп Адлера, достигнуты рекордные для вакуумных приборов значения коэффициента шума - менее 1,2 Cl.

Однако эти параметрические усилители работают в вырожденном режиме, когда колес ания (волна) на разностной частоте попадает в рабочую полосу прибора. Это приводит, в частности, к тему, что шумы, поступающие из антенны (источника сигнала) на разностной частоте, в процессе параметрического усиления попсщагот в канал сигнгша и существенно(вдвое) увеличивают реальный уровень собственных шумов приемного устройства в целом. }

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является двухлучевой параметрический.усилитель , содержащи-й два электронные пушки, систему снижения шумов, вход ной резонатор, резонатор накачки, выходной резонатор и коллекторный узел. При этом все резонаторы .имеют пролетные отверстия, соосные электронным пушкам t2J.

Резонаторы системы снижения шумов имеют противофазные плоские электрические поля, действующие на потоки. Входной резонатор имеет синфазные электрические поля и синФазно вводит в пото.ки усиливаемый сигнал. В резонаторе накачки электронные потоки проходят через противофазные квадрупольные поля. выходной резонатор осуществляет синфазну демодуляцию циклотронных волн в электронных потоках.

Такой двухлучевой усилитель обеспечивает подавление шумов разностного канала, поступающих из антенны (источника сигнала), но соответствующий анализ показывает, что уровень его внутренних (собственных шумов оказывается высок. Физическая причина этого проста - шумы согласрванной нагрузки первого резонатора (с противофазными полями) на разностной частоте вводятся в виде быстрых циклотронных волн в электронные потоки, причем вводятся пр)5 тивофазно, и поэтому не взаимодействуют с синфазными полями второго (входного) резонатора, а за счет усиления в противофазных квадруполь ных полях приводят к появлению. 10 двух уже синфазных и на частоте си нала циклотронных волн, шумы которых и попадают на выход усилителя.

За счет этого минимальное значе15 ние коэффициента шума двухлучевого ; усилителя Адлера равно

,Т„ . мин т7

Q где Т f - температура согласованной нагрузки первого резонатора с противофазными полями;

TO - 293К..

При комнатной температуре, когда 5 Т,Тр, коэффициент шума достаточно высок; Р„„ 2.

Именно поэтому двухлучевые пара- метрические усилители Адлера до на стоящего времени не. нашли технического применения.

Цель изобретения - снижение уровня собственных (внутренних) шумов усилителя.

Указанная цель достигается тем, что в двухлучевом параметрическом 5 усилителе,- содержащем две, электронные пушки, последовательно расположенные систему снижения шумов,входной резонатор, резонатсч накачки, выходной резонатор и коллекторный 0 узел, при этом резонаторы имеют

пролетные отверстия, соосные обеим электронным пушкам, система снижения шумов выполнена в виде двух независимых резонаторов, связанных с дву5 мя согласованными нагрузками через 3 дБ-направленный ответвитель, соосных электронным пушкам и имеющих пролетные отверстия.

На чертеже изображен двухлучевой n параметрический усилитель.

Двухлучевой параметрический усилитель состоит из двух электронных пзлнек 1 и 2, системы снижения шумов в виде двух независимых резонаторов 3 и 4, связанных через 3 дБ-направ ленный ответвитель 5 с двумя согла сованными нагрузками 6, и 7, находящимися при комнатной температуре Т, входного рез.онатора 8 с синфазными понями, резонатора 9 накачки с про0 тивофазными квадрупольными полями, выходного резонатора 10 с синфазными полями и коллекторного узла 11.

Входной сигнал поступает в резонатор 8, вводится в виде быстрых 5 }иклотронных волн в электронные потоки; затем в квадрупольных полях резонатора 9 за счет энергии внеш- , него источника накачки происходит экспоненциальный вдоль квадрупольной Области рост амплитуд этих волн, и, наконец, в выходном резонаторе 10 усиленный сигнал извлекается из пучков и поступает на выход усилителя .

По.отношению к сигналу и шумам, поступающим со стороны входа Сантенны), принцип подавления разностных волн здесь тот же, что ив прототипе, т.е.. разностные волны от этих сигналов, рожденные в процессе параметрического усиления, оказываются за счет идентичности и противофазности квадрупольных полей, действующих на потоки, равными ло амплитуде, но противоположными по фазе, поэтому, компенсируя друг друга, они не взаимодействуют с выходным резонатором, остаются в потоках и уходят на коллектор.

Однако механизм формирования низкого уровня собственных шумов здесь уже существенно иной. В электронных потоках, эмитируемых двумя независимыми электронными пушками, шумовые быстрые циклотронные волны на сигнальной и разностной частотах полностью демодулируются в резо-, наторах 3 и 4, а шумовая мощность этих волн рассеивается на согласо- . ванных нагрузках G и 7. При этом существенно, что резонаторы связаны через направленный ответвитель 5 и, следовательно, шумы первого потока в процессе демодуляции не попадают всГ второй поток и наоборот. Шумовые колебания, поступающие от каждой из согласованных нагрузок 6 и 7, расщепляются поровку в каналах направленного ответвителя и синфазно вводятся в электронные потоки. Таким образом, на выходе из истемы резонаторов 3 и 4 быстрые иклотронные волны сигнальной и раз,ностной частот в каждом из двух электронных потоков являютс шумовыи, но оказываются полностью керре- . ированными (равными по. амплитуде и

фазе) . Такие колебания уже полностьк демодулируются (выводятся) из потоков во входном резонаторе 8 и, следовательно, в отличие от прототипа здесь отсутствуют фундаментальные

ограничения снизу на уровень собственных шумов двухлучевого усилителя. Таким образом, для предлагаемого варианта двухлучевого параметрического усилителя вне зависимости от

0 температуры, при которой находятся согласованные нагрузки б и 7,Р,;,н 1.

При технически разумных требованиях к параметрам направленного отJeтвитeля (развязка между каналами

5 25-30 дБ, точность расщепления мощности в каналах ответвителя +0,3 дБ, точность выполнения фазовых соотношений ±10, актявные потери не более 0,5 дБ), и характерных значе0 ниях отношения собственной добротности к нагруженной (без потока) для резонаторов 3, 4, 8 (более 30-50) уровень внутренних шумов двухлучевого усилителя оказывается весьма

5 низким и не превосходит 10-30 К,что соответствует реальным значениям коэффициента шума равным 1,03-1,1.

Если учесть, что низкий урО1вёнь 0 собственных шумов достигается здесь без криогенного термостатирования, а глубокое подавление разностного канала обеспечивается при низкой (двукратной) частоте накачки и, кроме того, сохраняются все основные

5 преимущества входных параметрических усилителей на циклотронных волнах (широкий и безупречнолинейный динамический диапазон-) (до Вт) , высокая фазовая ста бйльность, спо0 собность выдерживать мощные импульсные (до 200-500 кВт) и длительные . (до 0,5-1 кВт) перегруз ки по уровню входного сигнала, малое время восстановления после таких перегрузок (пЬ5 рядка 10-®) и глубокую (более 200 дВ) развязку - защиту последующих каскадов приемника при таких перегрузках), достоинства двухлучевого параметрического усилителя становятся очевидными .

ДВУХЛУЧЕВОЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий две эМёктfE2HHi ie пушки, последовательно расположенные систему снижения шумов. входной резонатор, резонатор накачки, выходной резонатор и коллекторный узел, при этом резонаторы имеют пролетные отверстия, соосные обеим электронным пушкам, отличающ и и с я тем, что, с целью сниже-ния уровня собственных, шумов усйли. теля, система снижения шумов выполнена в виде двух независимых резонаторов, связанных с двумя согласованными нагрузками через ЗдВ-направленный ответвитель, соосных электронным пушкам и имеюьд1Х пролетные отверстия.