Главная  Электронные квантовые приборы СВЧ 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 [ 21 ] 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Зависимость излучаемой мощности от частоты определяется контуром спектральной линии излучения. Пусть контур спектральной линии Лоренцев (7.24)

Риэя(П I -!- (8.14)

Ризл(/о)

где fg - центральная частота линии; Afi, -ширина спектральной линии, взятая на уровне, составляющем половину от максимальной мощности.

Согласно ур-нию (8.13) отношение и(П/и(fo) имеет вид ф-лы (8.14). Тогда выражение (8.12) для усиления квантового прибора можно представить как

1 -ь

ИЛИ

2 (/ - h)

(8.15)

где С[дб1 [fo) - выраженное в децибелах усиление в центре полосы.

Под полосой пропускания квантового усилителя будем понимать диапазон Afyc, на граничных частотах frpi и frp2 которого усиление по мошности убывает в два раза (или, другими словами, на 3 дБ) относительно усиления в центре полосы:

Сив] (/rpi) =-- GuB] (/гр) = Gs, (/о) - ЗДБ. Подставим последнее выражение в ур-ние (8.15):

0[дБ](/о)-3 =

Решая полученное уравнение относительно Afyc, имеем для полосы пропускания усилителя

(8.16)

.А/ус = А/[/-

Из ф-лы (8.16) видно, что по мере увеличения усиления полоса пропускания квантового усилителя сужается. Если последовательно включить два одинаковых квантовых усилителя, то их общая полоса пропускания будет меньше, чем полоса пропускания каждого. Подобное явление наблюдается в многокаскадных резонансных усилителях радиодиапазона, где с увеличением числа одинаковых каскадов возрастает усиление, а полоса пропускания становится уже.

При условии достаточно большого усиления [С[дБ] (/о)>3 дБ] [выражение (8.16) можно заменить следующей приближенной фор-1 мул ой:

(8.17)

KGf ,j(/o)A/ V3A/i.

Отсюда следует, что произведение корня квадратного из коэф-I фициента усиления, выраженного в децибелах, на полосу пропускания является для данной активной среды величиной постоянной, [определяемой шириной спектральной линии вещества. Выигрывая 1в усилении, проигрывают в полосе пропускания. Следует отметить, что в настоящее время разработаны способы искусственного расширения спектральных линий вещества, что позволяет улучшать характеристики усилителей.

§ 8.3. РЕЖИМ СТАЦИОНАРНОЙ АМПЛИТУДЫ КВАНТОВОГО

ГЕНЕРАТОРА

Квантовый усилитель может быть превращен в генератор посредством введения положительной обратной связи, для чего активное вещество помещают в резонатор с достаточно высокой добротностью.

Обозначим через Ротд всю мощность, отдаваемую активным веществом, а через. Рпотр - суммарную потребляемую мощность, в которую входит как мощность потерь в стенках самого резонатора, так и полезная мощность, выводимая из резонатора. Тогда условие самовозбуждения, исходя из баланса мощностей, имеет вид

/охд^потр, (8.18)

т е. отдаваемая мощность должна быть не меньше потребляемой.

Режиму стационарной амплитуды соответствует точное выполнение баланса мощностей:

/отд = по.р- (8.19)

Рассмотрим, как зависят эти мощности от амплитуды колебаний. Мощность, отдаваемая активным веществом без учета спонтанного излучения, определяется на основании ф-лы (7.16):

Por = Bp{n-ni)hfiV

(8.20)

где Vsl - объем активного вещества.

Поскольку плотность поля р пропорциональна квадрату амплитуды электромагнитных колебаний, увеличение амплитуды приводит к возрастанию отдаваемой активным веществом мощности. Однако параллельно этому под воздействием излучения идет процесс изменения параметров самой активной среды.

Действительно, пусть в среде до прихода излучения создана инверсия на рабочем переходе. В установившемся режиме за счет баланса процессов заселения и обеднения рабочих переходов поддерживается определенная величина разности населенностей Пг-Пь



Мощное излучение, вводимое в активную среду, вызывает дополнительные вынужденные переходы между уровнями. Число переходов из верхнего состояния в нижнее, происходящих за единицу времени в единичном объеме среды, определится как Врпо. В свою очередь, число подобных переходов снизу вверх равно Spni. Поскольку 2> ь число переходов вниз преобладает, и баланс изменяется в сторону обеднения верхнего и дополнительного заселения нижнего уровня. Поэтому увеличение плотности излучения вызывает в активной среде снижение разности населенностей уровней 2- ь как показано на рис. 8.3. Разность населенностей принимает определенное значение при нулевой плотности, а при р^оо монотонно стремится к нулю (насыщение перехода).

Подобным образом согласно ф-ле (8.10) изменяется в зависимости от плотности поля и показатель усиления и. При больших сигналах усиление падает - квантовый усилитель насыщается подобно тому, как это имеет место в электронных усилителях свч, например, в ЛБВ.

На рис. 8.3 показана также кривая мощности, отдаваемой активной средой, зависимости от плотности поля. По мере увеличе-


Рис. 8.3. Явление насыщения квантового перехода

Per Р

Рис. 8.4. Баланс мощностей в квантовом генераторе

ния плотности ПОЛЯ происходит постепенное насыщение рабочего перехода, и рост отдаваемой мощности замедляется.

Теперь определим зависимость потребляемой мощности от плот ности поля. Эта мощность может быть выражена через нагруженную добротность резонатора Qh. в который помещено активное вещество, и запасенную в резонаторе энергию И^зап:

Япр-СОзап/Сн. (8.21)

Запасенная энергия прямо пропорциональна плотности поля, а потому мощность потерь линейно зависит от р.

Нанесем зависимости Ротд(р) и Япотр(р) на один чертеж (рис. 8.4). Точка пересечения кривых соответствует условию выполнения баланса мощностей (8.19) и определяет величины стационарной мощности Рст и стационарной плотности поля рст. При изменении нагруженной добротности резонатора меняется наклон прямой Рпотр(р). Поэтому, варьируя нагрузку резонатора, можно в определенных пределах изменять стационарную мощность. Для полу-

- 136 -

чения максимальной мощности нагрузку следует выбирать так, что-5ы обеспечить в установившемся режиме состояние активного ве-[щества, близкое к насыщению.

§ 8.4. ШУМЫ СХЕМ С АКТИВНЫМ ВЕЩЕСТВО.\\

Любой усилитель вносит в усиливаемый сигнал некоторые шумы или внутренние помехи. В схемах, содержащих активное вещество, могут быть выделены два основных источника шумов: во-первых, тепловое излучение стенок волновода или резонатора, в который помещено активное вещество, и во-вторых, спонтанное излучение самого активного вещества. Второй вид шумов является специфическим для квантовых приборов и не наблюдается в электронных усилителях обычного типа.

Как отмечалось в § 4.5, шумы усилителей обычно оценивают коэффициентом шума Km- Представим ф-лу (4.36) в виде

Km =

Ш. ВЫХ

GP.

(8.22)

[С С - коэффициент усиления схемы. Согласно выражению (8.22) коэффициент шума усилителя можно определить также как отношение полной мощности шумов на I его выходе к выходной шумовой мощности идеального нешумящего усилителя, если ко входам реального и идеального усилителей подводятся внешние шумы одинаковой мощности. Идеальный усилитель имеет коэффициент шума Кш=1 или в децибелах /(ш[дБ]=0. Квантовые приборы диапазона свч обладают очень низким уровнем собственных шумов, в связи с чем коэффициент Km оказывается близок к единице. В таких условиях более удобно характеризовать шумы при помощи эквивалентной шумовой температуры Гш. Мощность шумов на выходе усилителя можно представить следующей суммой:

I Р =Р G-P , (8.23)

ш. вых ш. ВХ ш. с y-l.t.J)

где Рш.е - мощность собственных шумов усилителя.

Входной шум носит обычно тепловой характер. Номинальная мощность шума Рш в единичном интервале частот при температуре Т определяется ф-лой [36]

- . (8.24)

е - 1

В диапазоне свч вплоть до миллиметровых волн выполняется условие kT:§>hf. Например, при длине волны 3 см величина hf/k составляет примерно 0,4 К, так что даже для очень низкой температуры Г=4,2К величина h\!kT<.0,\. В этом случае, разлагая экспоненту в степенной ряд и ограничиваясь первыми двумя членами, получаем

Р^... = РшМ^кТ,М, (8.25)



где Д/ -эффективная полоса пропускания; То - температура внешних источников тепловых шумов, или температура входа приемника (усилителя). Обычно выбирают стандартную температуру 70=290 К-

Согласно ф-ле (8.25) источник входных шумов может быть представлен некоторым активным сопротивлением при температуре Го. Предположим, что источники собственных шумов усилителя также можно представить в виде сопротивления, включенного на входе, тогда

ш.с=С^ГшД/- (8-26)

Подставляя выражения (8.25) и (8.26) в ф-лу (8.23), имеем m. , = (n + 7u.)GAf.

Таким образом, эквивалентная шумовая температура Гш показывает, на сколько надо изменить температуру входа идеального усилителя, чтобы он стал эквивалентен реальному. Для идеального усилителя Гш = 0 К- Шумовая температура

р

гр Ш. с

не зависит от температуры шумов внешних источников и целиком определяется характеристиками квантового усилителя. В этом заключается еще одно преимущество использования параметра Тш вместо коэффициента Кии который зависит от уровня входных шумов.

Используя ф-лу (8.22), найдем связь между этими двумя шумовыми параметрами:

пли

Т^=Т,(К^-\). (8.27)

Для значений коэффициента шума менее ЗдБ (при этом Гш<300К) 7. 600/(3j/(9-/C3j). (8.28)

Например, если Кш составляет 1,004 (или 0,02 дБ), то шумовая температура Гш~ 1,2 К.

В квантовых приборах свч диапазона основным видом шумов являются тепловые, энергия которых равномерно распределена в широкой полосе частот. В оптическом диапазоне роль основного источника шумов переходит к спонтанному некогерентному излучению, сосредоточенному в более узкой полосе частот, соответствующих переходам между рабочими уровнями. Отношение коэффициентов Эйнштейна для спонтанного и вынужденного излучения согласно (7.15) пропорционально кубу частоты. Поскольку при переходе от диапазона свч к оптическому частота меняется примерно в IC раз, то доля спонтанного излучения возрастает в 102 раз.

(Снижая температуру, при которой работает квантовый усилитель свч, можно значительно снизить уровень шумов. По этой причине рабочее вещество квантовых приборов свч подвергают глубокому охлаждению до температуры в несколько градусов Кельвина. В результате шумовая температура квантовых усилителей свч может составлять всего 2-4 К-

Для сравнения отметим, что лучшие образцы малошумящих ЛБВ имеют шумовую температуру 300 К; у параметрических усилителей на полупроводниковых диодах без охлаждения Гш = 50- 150 К; у усилителей с охлаждаемыми диодами Гш=10-50 К. Чрезвычайно низкий уровень собственных шумов является важнейшей характеристикой квантовых усилителей диапазона свч и полностью оправдывает их применение, хотя эти усилители еще не очень удобны в эксплуатации и сложны по устройству. Практически чувствительность усилителя определяется не собственными шумами, а тепловыми шумами входных цепей и, главным образом, входными шумами антенны, которые составляют несколько десятков градусов Кельвина.

В оптическом диапазоне квантовые приборы вследствие повышенного уровня шумов используют обычно как генераторы. При переходе к диапазону ультрафиолетовых волн квантовые системы, I ло-видимому, не смогут работать эффективно в качестве усилителей, поскольку дальнейший рост спонтанного излучения значительно снижает их чувствительность.



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 [ 21 ] 22 23 24 25 26 27 28 29 30