О функциональных возможностях применения НРЭ

Фундаментальное свойство идеальных НРЭ преобразовывать энергию без потерь явилось следствием широких функциональных возможностей применения НРЭ, к которым следует отнести:

>

=> преобразование параметров и формирование колебаний с малыми потерями мощности. Потенциальный КПД таких преобразователей составляет 100%;

=> усиление и преобразование колебаний и сигналов с малым уровнем вносимых шумов. Эта возможность вытекает из термодинамических представлений о природе шумов;

=> генерирование субгармонических колебаний и гармонических колебаний основной частоты в балансных схемах;

=> управление реактивной мощностью гармонических колебаний. Известны два способа управления: изменением смещения на НРЭ и изменением уровня воздействующего колебания. Первый способ используется для осуществления амплитудной, частотной и фазовой модуляций, для перестройки колебательных систем, для создания источников реактивной мощности и других целей, а второй — для параметрической стабилизации или ограничения уровня напряжения (тока).

Богатые функциональные возможности НРЭ позволили на их основе создать широкое многообразие устройств, отличающихся назначением, видом функционального преобразования, диапазоном рабочих частот, уровнем преобразуемых мощностей и рядом других параметров.

Другое фундаментальное свойство идеальных НРЭ, проявляющееся в отсутствии постоянного тока или постоянного напряжения на полюсах элемента, свидетельствует о том, что НРЭ не потребляет энергии от источников постоянного тока (напряжения). Поэтому последние вводят в устройство лишь при необходимости смещения рабочей точки НРЭ с целью получения требуемого режима его работы.

Следовательно, НРЭ могут быть использованы либо для непосредственного преобразования входных колебаний, либо для пополнения их мощности от отдельного источника (генератора накачки) переменного напряжения. Указанные обстоятельства придают специфику схемным решениям устройств на НРЭ.

Основные области применении НРЭ. Одна из наиболее широких областей применения НРЭ связана с созданием источников колебаний синусоидальной формы. При построении таких источников по ряду причин возникает необходимость преобразования параметров гармонических колебаний или управления ими. Исходя из функционального признака, можно выделить четыре группы устройств, относящихся к этому классу. Рассмотрим пути и современный уровень их развития.

Одну из групп устройств преобразования параметров гармонических колебаний (ПГК) образуют кратные преобразователи частоты. Вее состав входят умножители (УЧ) и делители (ДЧ) частоты.

Магнитный удвоитель частоты, запатентованный Эпштейном в 1902 г., относится к числу первых устройств на НРЭ. В нашей стране работы по исследованию и применению УЧ начаты В. П. Вологдиным в 1911 г. и продолжаются до настоящего времени. Наибольшее распространение получили умножители на ферромагнетиках с параллельными полями в качестве источников энергии повышенной частоты промышленной сети 50 Гц. Позднее появились ферромагнитные УЧ с вращающимися магнитными полями и с ортогональным управлением и благодаря своим особенностям нашли широкое применение.

Параллельно проводились и ведутся работы по исследованию и применению УЧ на нелинейных емкостях. Разработка и промышленный выпуск полупроводниковых НРЭ, близких по свойствам к идеальным реактивным элементам, послужили сильным толчком к развитию техники умножения частоты радиодиапазона. Благодаря усилиям исследователей и разработчиков за сравнительно короткий срок варакторные УЧ прошли стадию всесторонних исследований и нашли широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре.

В пятидесятые и шестидесятые годы прошлого столетия проявился значительный интерес к ДЧ. На их основе могут быть построены генераторы гармонических колебаний пониженной частоты, парамстроны со многими состояниями равновесия, квантователи фазы, параметрические ограничители амплитуды, преобразователи числа фаз и другие устройства. Это послужило стимулом к проведению широких исследований, но выявлению свойств и возможностей применения параметрических делителей частоты.

Частотные, фазовые и амплитудные модуляторы относятся к устройствам с управляемыми параметрами гармонических колебаний. Наибольшее распространение в настоящее время получили частотные и фазовые модуляторы на варикапах, использующих барьерную емкость обратно смещенного р—//-перехода. Амплитудные модуляторы на НРЭ, несмотря на их достоинства, находят oipaниченное применение из-за отсутствия реактивных элементов, способных на высоких частотах преобразовывать высокие уровни мощностей. К этой же группе устройств следует отнести резонансные магнитные и диэлектрические усилители, являющиеся низкочастотными аналогами реактивных модуляторов, а также низкочастотные малошумящие параметрические усилители. В качестве устройств с управляемой амплитудой и фазой гармонических колебаний можно также использовать умножители частоты.

Отдельную группу составляют параметрические стабилизаторы и генераторы, принцип действия которых ос;

нован на нелинейной расстройке колебательной системы, вносимой НРЭ при изменении амплитуды входного воздействия. Среди параметрических стабилизаторов наибольшее применение нашли феррорезонансные стабилизаторы напряжения. Несмотря на то, что этот тип стабилизаторов известен давно и достаточно полно исследован, интерес к нему сохранился до настоящего времени. К параметрическим генераторам основной частоты относятся параметрические трансформаторы на магнитопроводах с ортогональными полями, обладающие по сравнению с феррорезонансными трансформаторами лучшими стабилизирующими, фильтрующими, защитными свойствами и другими достоинствами.

Появление полупроводниковых НРЭ привело в конце пятидесятых годов прошлого века к быстрому развитию и внедрению м, а л о шумя щ и х параметрических усилителей С В Чдиапазона. В многочисленных работах всесторонне и полно рассмотрен широкий круг вопросов, относящихся к схемным решениям, протекающим процессам, свойствам, характеристикам и предельным возможностям, методам анализа и расчета параметрических усилителей.

Другая, достаточно широкая область применения НРЭ связана с формированием и преобразованием колебаний импульсной ф о р м ы. К устройствам, предназначенным для преобразования гармонических колебаний в колебания импульсной формы, следует отнести магнитные и диэлектрические усилители с апериодической нагрузкой. Широкое распространение также получили различные ферромагнитные формирователи импульсов. Весьма интересные технические решения различных импульсных устройств могут быть получены на основе диодов с накоплением зарядов.

Нс все из рассмотренных устройств заняли в настоящее время то место, которое первоначально им отводилось. Не оправдались надежды, возлагаемые на параметроны и параметрические генераторы кратных частот. Благодаря успехам, достигнутым в технологии изготовления транзисторов СВЧ-диапазона, параметрические усилители постепенно вытесняются транзисторными. Тиристорные преобразователи вытеснили магнитные усилители. Несмотря на это, многие из устройств на НРЭ находят весьма широкое применение и в настоящее время. К ним относятся ферромагнитные и варакторные умножители частоты, частотные и фазовые модуляторы на варикапах, феррорезонансные стабилизаторы напряжения и др. Ряд устройств на ферромагнитных НРЭ с ортогональным управлением, к которым следует отнести параметрические трансформаторы, умножители и делители частоты, интенсивно исследуются и уже используются в электротехнической и радиоэлектронной аппаратуре.

О необходимости совершенствования НРЭ. Одной из основных причин, сдерживающих более широкое применение устройств на НРЭ, является несовершенство элементной базы. Анализ ее состояния показывает, что:

=> несмотря на большие усилия, затраченные на исследования сегнетокондснсаторов, до настоящего времени нс созданы вариконды, удовлетворяющие предъявляемым требованиям;

=> разработаны и применяются умножительные полупроводниковые диоды с достаточно высокими уровнями преобразуемых мощностей и малыми потерями, однако их ассортимент, выпускаемый промышленностью, невелик и имеет ограниченный диапазон мощностей и частот. Используемые обратно смещенные р—//-переходы для управления частотой и фазой гармонических колебаний нс позволяют получить высокие уровни мощности на выходе модуляторов;

=> область наиболее широкого применения ферромагнитных НРЭ ограничена промышленными и низкими частотами. Комплексных исследований, направленных на разработку ферромагнитных материалов для создания НРЭ в диапазоне радиочастот, не проводилось, хотя некоторые частные результаты свидетельствуют о возможности применения ферритов в СВЧ-диапазоне с высокой энергетической эффективностью;

=> известные электронные аналоги НРЭ (реактивные каскады) из-за присущих им низких энергетических показателей непригодны для применения в мощных устройствах.

Таким образом, элементная база нуждается в дальнейшем совершенствовании и развитии. Один из возможных и перспективных путей в этом направлении состоит в синтезировании НРЭ на основе управляемых ключей и линейных реактивных элементов. О целесообразности такого подхода свидетельствуют следующие факторы:

=> в идеальном случае как ключевые (переключающие), так и реактивные элементы не потребляют энергии;

=> выпускаемые промышленностью или изготавливаемые в условиях производства электронные и полупроводниковые приборы в переключающем режиме, конденсаторы, катушки индуктивности, дроссели обладают малыми потерями мощности, способны работать при больших токах и напряжениях, в широком диапазоне частот, имеют стабильные характеристики и параметры;

=> благодаря достижениям микроэлектроники появилась возможность создания высокоэкономичных малогабаритных схем управления.