Предисловие

Одной из тенденций развития современной радио-электроники является увеличение быстродействия разрабатываемой радиоаппаратуры. Одновременно повышаются требования к другим техническим показателям: помехозащищенности, стабильности, надежности и т. д.

Среди устройств с повышенным быстродействием важное место занимают широкополосные усилители. Весьма перспективным типом широкополосного усилителя является усилитель с распределенным усилением, относящийся к классу устройств, работающих по принципу направленного сложения высокочастотных сигналов.

Усилитель с распределенным усилением (УРУ) был предложен в 1936 г. В. Персивалем [1]. В последующие годы вопросы теории, расчета и конструирования ламповых УРУ разрабатывались рядом отечественных и зарубежных специалистов и были обобщены в книге Л. Я. Шапиро [41].

Благодаря совокупности таких полезных свойств, как широкополосность, сравнительно малый коэффициент шума и большой динамический диапазон, повышенная надежность, возможность использования в качестве трактового усилителя и т. д., УРУ применяются в различных областях радиоэлектроники: в широкополосной технике связи и телевидения, в наносекуидной импульсной и измерительной технике, в экспериментальной технике в области ядерной физики и т. д.

УРУ могут использоваться, например, в качестве входных широкополосных усилителей в панорамных радиоприемных устройствах и телевизионных многоканальных системах для повышения чувствительности широкополосных осциллографов и других целей. В последние годы УРУ стали использоваться в широкодиапазонных радиопередатчиках в качестве мощных неперестрагаваемых выходных усилителей.

Усилители с распределенным усилением вследствие своих особенностей образуют отдельный класс усилителей. Вопросам теории, расчета и конструирования мощных УРУ посвящена работа [14], в которой основное внимание уделяется исследованию энергетических процессов и разработке методов повышения энергетической эффективности этих усилителей.

В настоящее время возможности практической реализации схемных решений усилителей с распределенным усилением в значительной мере сдерживаются недостаточностью расчетно-теоретической базы. В самом деле наиболее разработанные методы расчета схем УРУ основаны на предположении, что в каскаде используется идеальный усилительный элемент (УЭ) с емкостными выходной и входной проводимостями. Однако современные усилительные элементы (титано-керамические лампы и высокочастотные транзисторы) обладают частотно-зависимыми параметрами, заметными активными составляющими входной и выходной проводимостей и существенной обратной связью, пренебрежение которыми может являться причиной ошибочных заключений и неправильных рекомендаций. В настоящее время не существует методов расчета схем УРУ с учетом параметров современных УЭ.

В связи с многообразием областей применения УРУ необходимо анализировать его различные технические характеристики: рабочие коэффициенты передачи в любом направлении, амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики, коэффициенты стоячей волны напряжения, коэффициент шума и т. д. Дополнительно принимая во внимание быстрый прогресс технических показателей высокочастотных транзисторов и возможность создания транзисторных УРУ с параллельным, последовательным и комбинированным включением входов и выходов УЭ в передающие линии, можно сказать, что назрела необходимость разработки единого метода анализа характеристик различных схем УРУ - метода многополюсника, который в настоящее время используется только для определения коэффициента усиления УРУ с параллельным включением УЭ в передающие линии.

Необходимость в разработке такого метода, основанного на матричных преобразованиях, подчеркивается возможностью использования электронно-вычислительной техники для расчета характеристик УРУ. Более того, логически следующий за этапом анализа этап структурного оптимального синтеза УРУ будет полностью базироваться на методе многополюсника и применении ЭЦВМ.

Усилитель с распределенным усилением представляет собой весьма сложное устройство. Анализ его характеристик с учетом всех влияющих факторов практически невозможен. Поэтому наиболее целесообразно получить для характеристик УРУ приближенные замкнутые выражения из общих соотношений, выведенных при некоторых реальных допущениях, исключающих влияние определенных факторов. Такой подход (в совокупности с расчетами на ЭЦВМ по исходным соотношениям) позволяет анализировать характеристики схемы и приводит к практическим рекомендациям и методике расчета элементов УРУ, обладающих нужными характеристиками. При этом формулы по возможности должны быть закончены для соответствующего этапа конкретизации рассматриваемого устройства и в конечном счете пригодны для инженерного применения. В литературных источниках по распределенному усилению это требование ввиду сложности анализа УРУ зачастую не соблюдается. Примером могут служить формулы составляющих коэффициента шума, полученные в [4, 41] для редко встречающегося частного случая, когда источник шума сосредоточен на внешних полюсах УЭ, и представленные в незамкнутой форме в виде конечной суммы модулей комплексных функций от характеристических сопротивлений, постоянных распространения, параметров, числа и номера усилительных элементов в каскаде УРУ. В таком виде практически невозможно использовать эти формулы для инженерных расчетов коэффициента шума в диапазоне частот даже для указанного частного случая.

Настоящая работа, посвященная основным вопросам теории и расчета однородных маломощных УРУ, прежде всего преследует цель восполнить некоторые пробелы в этой области. Представленный материал является результатом обобщения исследований в области распределенного усиления, которые проводились автором и под его руководством в течение нескольких лет в лаборатории распределенного усиления на кафедре теоретических основ радиотехники Томского института автоматизированных систем управления и радиоэлектроники. В основу анализа работы УРУ положен частотный метод.

В зависимости от степени общности рассматриваемых вопросов книгу можно разделить на три части. В первой части (гл. 1-3) излагаются общетеоретические материалы, обосновывается и излагается метод многополюсника применительно к УРУ. Во второй части (гл. 5, 6, частично 4 и 9) выводятся и анализируются формулы рабочих коэффициентов передачи, составляющих коэффициента шума, динамического диапазона по комбинационным составляющим. В этом разделе анализ теоретических соотношений, полученных при заданной структуре каскада УРУ, проводится без конкретизации схем УЭ и фильтров передающих линий. Формулы выражены через параметры усилительных элементов, характеристические параметры фильтров и легко могут быть использованы для анализа конкретных существующих и вновь разрабатываемых схем УРУ с четырьмя способами включения УЭ в передающие линии. В третьей части (гл. 7, 8, 10) рассматриваются конкретные схемы ламповых и транзисторных УРУ, построенных па различных типах фильтров. Анализируются их амплитудно-частотные и шумочастотные характеристики, предлагается методика расчета элементов схем с учетом высокочастотных свойств усилительных элементов, приводятся материалы по практическим реализациям отечественных и зарубежных УРУ.

При подготовке книги автор стремился, с одной стороны, изложить материалы для инженерных расчетов, необходимых при конструировании известных схем УРУ, а с другой, подготовить теоретическую основу для анализа и машинного синтеза разрабатываемых усилителей, поскольку варианты схем транзисторных усилительных элементов далеко не исчерпаны.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность к. т. н., доц. И. А. Суслову за ряд ценных советов и критических замечаний, а также к. т. и., доц. О. В. Алексееву, взявшему па себя труд по рецензированию рукописи. Автор сердечно благодарен сотрудникам лаборатории распределенного усиления: В. М. Винокурову, В. Н. Гришко, Б. Ф. Голеву, А. И. Силютину, В. Я. Гюнтеру, Н. М. Черниковой, JI. С. Коробейниковой, Л. А. Дурневой и др., чьи советы, помощь и дружеская поддержка способствовали выполнению работы.