тракт сигнальной частоты

] связи первого кштура с нагрузкой (р, велико), влияние сомножителя [ ( незначительно. Действительно,(1-<Хо)и при > 1 величина VKo-j почти не зависит отВесьма перспективным представляется создание охлажденных ПУ в коротковолновой часги диапазона СВЧ, где обычные ПУ имеют собственные шумы примерно такого же порядка, что и смесители. Как известно, характерной чертой параметрических усилителейJ00 т°кРис. 3.8. Зависимость шумовой температуры Тш от температуры для двухконтурных ПУ в корог-коволновой части диапазона СВЧ:/ - при 0=1 во всем интервале температур; и / - - 300 кпри Qв интервале 300-77 К.ЭТОГО диапазона волн является незначительное отличие частоты генератора накачки сон от частоты сигнала соь при котором у<1. Это является одной из основных причин увеличенных шумов.Расчетная зависимость шумовой температуры таких ПУ от охлаждения имеет вид, представленный на рис. 3.8. При построении приведенных графиков было- 148 -принято, что добротность диода не зависит от температуры охлаждения. Однако, как показано в гл. 2, путем подбора полупроводникового материала и концентрации примеси в нем возможно изготовить диоды, у которых добротность улучшается при понижении Т. Это приводит к возможности дальнейшего уменьшения шумовой температуры охлаждаемого ПУ вследствие уменьшения коэффициента С. В ряде случаев может оказаться разумным соответственно увеличить связь контуров сигнальной или разностной частоты с соответствующими трактами (уменьшить внешнюю добротность Qbh). При этом для обеспечения заданной регенерации величины коэффициентов р останутся прежними, а полоса ПУ может быть расширена.В охлажденных ПУ коротковолновой части диапазона СВЧ при коэффициенте связи 2= 1 целый ряд преимуществ дает использование двух регенерированных контуров на частотах coi и сог для одновременного усиления входного сигнала на частоте coi и входного сигнала на частоте сог. Для этого в тракте разностной частоты 0)2 устанавливается охлажденный Х-циркулятор, к одному из плеч которого присоединяется антенна на частоте С02, а к другим - последующий каскад и охлажденная нагрузка. Тракт усиления на частоте coi собирается по обычной схеме. При необходимости может быть использовано и преобразование частоты. Следовательно, в таком устройстве при (0]/(02 1 приемлемая величина Тш на частоте 2 может быгь получена лишь при весьма сильном охлаждении. Это же необходимо и для получения малой величины Тщ на обеих частотах при отношении (Oi/c02~ 1.Рассмотрим вкратце основные особенности охлажденных параметрических усилителей СВЧ диапазона.При понижении температуры на работу ПУ влияют:- уменьшение емкости р-п перехода параметрического диода, особенно в устройствах, работающих при пебольилих напряжениях смещения, примерно равных контактной разности потенциалов; это приводит к расстройке контуров сигнальной, и особенно разностной, частоты;- изменение последовательного сопротивления потерь диода, например его уменьшение, которое достигается специальным изготовлением диода. Последнее- 149 -приводит к тому, что при использовании всего рабочего участка вольтфарадной характеристики диода и неизменной величине связи с контурами частот со, и ыз, начиная с некоторой температуры, при которой а1, усиление резко возрастает;- смещение вольтамперной характеристики в область прямых смещений (вправо), уменьшение тока насыщения и снижение напряжения пробоя, что сказывается на выборе рабочей области вольтфарадных характеристик и вида цепи смещения;- механические сдвиги и изменения контактов в элементах усилителя вследствие уменьшения линейного расширения;- изменения теплоемкости и теплопроводности материалов;- изменения диффузионной емкости р-п перехода, что существенно даже при небольших прямых токах.Изменение диффузионной емкости р-п перехода при понижении температуры играет существенную роль лишь для усилителей, работающих с прямыми токами, хотя и весьма малыми.При комнатных температурах, как известно, такие усилители вследствие большей величины модуляции емкости диода по сравнению с обычными ПУ обладают рядом положительных свойств: большим значением произведения усиления на полосу пропускания, большей устойчивостью, возможностью работы без напряжения смещения на диоде. Благодаря особенностям диффузионной емкости глубокое охлаждение может привести к дальнейшему улучшению перечисленных свойств. Действительно, на высоких частотах, когда со > -, гдеТр -время жизни неравновесных носителей заряда, диффузионная емкость равнактУ 2о)где /о - ток насыщения;и - напряжение, приложенное к диоду. Если в заданном интервале низких температур не учитывать зависимости Тр от Т, то, принимая во внимание, что ток- 150 -где р=12 для полупроводников с различной степенью легирования, получимПри воздействии на р-п переход ооратного напряже-ния > - или небольцюго прямого напряжения С инжекция неосновных носителей, а значит, и диффузионная емкость практически отсутствует. При наличии прямого напряжения диффузионная емкость преобладает над зарядной емкостью Сд и возрастает с понижением температуры по экспоненциальному закону. Это позволяет особенно в диапазоне дециметровых волн уменьшить величину прямого тока через р-п переход и ослабить шумы, вызванные этим током. Применение в рассматриваемых охлажденных усилителях полупроводниковых диодов на базе материалов с большой величиной А£ (например, GaAs) может облегчить их работу в режиме автосмещения. Приведенные выше соображения позволяют сделать вывод о целесообразности использования охлажденных ПУ, работающих с применением диффузионной емкости р-п перехода, в качестве одной из разновидностей каскада, включаемого после входного охлажденного ПУ.Говоря об особенностях работы при низких температурах параметрических усилителей, использующих емкость запертого р-п перехода, нельзя не упомянуть о шумах типа дробовых, которые в ряде случаев могут быть одного порядка с тепловыми или даже превышать их. На основании материалов гл. 2 можно сделать заключение, что шумы, вызванные генерацией носителей заряда в р- и п-областях, а также в области запирающего слоя р-п перехода, при понижении температуры уменьшаются. Характер этой зависимости для полупроводников, отличающихся шириной запрещенной зоны, коппентрацией примеси и т. д., различен. Шумы, обусловленные флюктуациями в области пространственного заряда, могут сказываться при температурах ниже 77° К и в данном разделе они не рассматриваются. Что- 151 -же касается дробовых шумов, возникающих прп большой амплитуде накачки, когда начинает протекать небольшой прямой ток и обратный ток в нредпробойной области, то их величина может быть оценена (см. гл. 2).К конструкции охлаждаемых усилителей предъявляются следующие требования:- минимальное количество тепловых мостов (волноводов, коаксиальных линий, элементов перестройки), влияющих па расход криогенной жидкости, необходимой для поддержания температуры охлаждения ПУ;- малые габариты и малый объем устройства для уменьшения времени пуска установки и уменьшения теплонотерь;- применение материалов с пониженной теплопроводностью в подводящих линиях и бесконтактных переходов в крышке криостата;- обеспечение возможности изменения напряжения смещения на диоде и простоты замены диодов;- обеспечение надежной развязки между всеми цепями и герметизации элементов усилителя.Все эти требования были учтены при разработке ряда охлаждаемых ПУ дециметровых и сантиметровых волн, описанных в совместных работах автора с Кореневым Ю. В., Ратбилем Э. Л., Иванцовым А. В.иЯньши-ным А. С. 3.] Конструктивная схема одного из экспериментальных охлаждаемых ПУ представлена на рис. 3.9,а. Усилитель собран на отрезке волновода суженного сечения, являющегося в большей своей части запредельным волноводом для разностной частоты, и закреплен на коаксиальной трубке с реактивными неод-норсдностями, образующими необходимые- резонаторы. В тракте сигнала усилителя, изображенного на рис. 3.9,а, в качестве реактивных неоднородностей использованы индуктивные штыри, однако в других конструкциях усилителей применялись другие виды неоднородностей, например емкостные диафрагмы [3].Микроминиатюрные охлаждаемые усилители - диоды- могут быть выполнены в различном конструктивном оформлении: с применением резонансных диафраг.м, с использованием внутренней полости самого диода и его паразитных элементов и т. д. Одна из таких конструкций схематически изображена на рис. 3,9,6.Для экспериментальных исследований и оптимальной настройки усилителей при заданной температуре криостата применялась следующая методика. К трактам сигнальной и разностной частот подключались измерительные установки, включающие измерительные линии.Корпус диодаРис 3 9 Конструкция экспериментального охлаждаемого ПУ с индуктивными штырями в тракте сигнальной частоты (а) и схематическое изображение охлаждаемого усилителя - диода (ft):/-дноп- 2- ловушка>; j-держатель днода; 4 - контур разностной частоты; 5-фильтр накчкн; -контуры, образованные индуктивными штырями; 7 - фильтр нз радиальных резонаторов.На этих уста1ювках путем измерения КСВ производилось определение значений нагруженных и собственных добротностей резонаторов с диодом при поданном на него смещении и выключенном генераторе накачки. Характерные экспериментальные кривые частотной зависимости КСВ ПУ на разностной частоте при изме-

 Радитехнология низких температур  [

Радитехнология низких температур. Утилизатор