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

лее Значения магнитной индукции внешнего поля при этом лежат в пределах от 0.15 до 0,4 Т

При 6=54,7° энергетические уровни оказываются симметричными относитель но проведенной между ними воображаемой средней линии. Эта особенность ис пользуется для реализации четырехуровневой схемы двойной накачки. В таком


0,г O/t 0,В BJ

W 1. ГГц

vv/л.

ГГц

в =90°

. 3

-1-1

О 0,2 0,и 0.6 BJ

Рпс. 9.3. Расщепление уровней рубина в магнитном поле

пежиме квантовые усилители па рубине могут эффективно работать на частотах от 6 до 40 ГГц.

В сантиметровом диапазоне длин волн чаще всего используют рубин. Для более коротких волн подбирают веш.есгва, у которых начальное расщепление зна чительно больше, чем у рубина. В мил.пиметровом диапазоне широко применяет ся рутил (окись титана TiOz) с примесями ионов хрома Сг+ или железа Fe+ Начальное расщепление ионов хрома в рутиле составляет 43,3 ГГц, а уровнен железа - 43,3 и 81,3 ГГц. Особенностью рутила является высокая диэлектриче екая проницаемость (е= 100-200).

§ 9.5. ОДНОРЕЗОНАТОРНЫЕ КВАНТОВЫЕ ПАРАМАГНИТНЫЕ

УСИЛИТЕЛИ

Для обеспечения взаимодействия свч поля с веществом крис талл парамагнетика помещают в резонатор или в волновод, а уси лители соответственно называют резонаторнымн или усилителями с бегущей волной.

Рассмотрим рис. 9.4. Глубокое охлаждение достигается погру жением резонатора с кристаллом в двойной сосуд Дюара. Резона тор изготовляют из материала с малым температурным коэффи циентом расширения, напри.мер, из инвара, что облегчает настройку. Резонатор герметизируют, чтобы при о.хлаждении в нем не ежи жался воздух. Иногда резонатор заполняют жидким гелием, одна ко вследствие выделения тепла кристаллом в резонаторе образу ются пузырьки газа, ухудшающие стабильность усиления. Линии ввода сигнала и накачки изготавливают из материала с малой теплопроводностью. Специфическим является требование двухча-стотности резонатора, т. е. способности его резонировать на часто тах сигнала и накачкп. Парамагнитный кристалл помещают в пучности магнитных полей сигнала и накачки с учетом требуемой ориентации оси кристалла и постоянного магнитного поля.

Различают две разновидности резонаторных парамагнитных усилителей: с отражательным резонатором и с проходным резонатором. Схема первого из них представлена на рис. 9.5. Для ввода п вывода в резонатор сигналов используется одна линия переда чн. Эти сигналы, распространяющиеся в противоположных направ-

лениях, разделяют при помощи циркулятора - невзаимного устройства, пропускающего электромагнитные волны между двумя соседними плечами только в одном направлении.

FВходной сигнал попадает в циркулятор, а из него в резонатор с парамагнитным кристаллом. В резонаторе происходит регенеративное усиление, и усиленный отраженный сигнал через циркулятор поступает на приемник сигнала. Шумы, излучаемые входом


И

ь

Рпс. 9.4- Устройство однорезо-наторного парамагнитного усилителя:

/ - резонатор с кристаллом; 2со-с\д с жидким ге-ием; 3 - сосуд с жидким азотом; 4 -полюга магнитной системы; 5 - линия ввода и вывода сигнала; € - линия накачки

Рис. 9.5. Структурная схема усилителя с отражательным резонатором:

/-согласованная нагрузка; 2 -цирк>-лятор; 3 - источник сигнала; 4 - приемник; 5 - резонатор с криста,л лом; 6 - источник накачки

приемника, а также отраженная от него мощность при плохом согласовании приемника и источника сигнала могут попасть через циркулятор на вход резонатора. Для устранения этого нежелательного явления вслед за приемником к циркулятору подключают согласованную нагрузку. Нагрузку следует охлаждать, поскольку се шумы поступают на вход усилителя.

Основные характеристики парамагнитного усилителя с отражательным резонатором рассчитывают по эквивалентной схеме. Объемный резонатор свч диапазона представлен колебательным контуром: индуктивностью L, емкостью С и сопротивлением потерь п стенках резонатора Ro (рис. 9.6а). Наличие в резонаторе активного парамагнитного кристалла учитывается введением в эквивалентную схему отрицательного сопротивления называемого магнитным сопротивлением. Степень связи между объемным резонатором и внешней передающей линией с волновым сопротивлением Rc регулируется механически (на эквивалентной схеме идеальный трансформатор с переменным коэффициентом трансформации п). Другой конец передающей линии подключен к согласованному источнику входного сигнала - генератору напряжения с внутренним сопротивлением Ri=Rc.



Очевидно, добротность Qo ненагруженного резонатора без кристалла составляет

Qo = cOoL ?o. (9.12)

где (Оо - резонансная частота.

Подобным образом введем магнитную добротность:

Q =(Oo/m-

(9.13)


-0-cizi-f

Рис. 9.6. Эквивалентные схемы усилителя с отражательным резонатором:

а) с идеальным трансформатором; б) без трансформатора

Отрицательную магнитную добротность, учитывающую излучение энергии парамагнитным кристаллом, можно выразить через параметры активной среды. Воспользовавшись ф-лами (8.2) и (8.5), получим

Q = -= -

Т лв (Па - ni) у

(9.14)

Эффективный коэффициент заполнения у характеризует степень заполнения резонатора парамагнетика и равен отношению запасенных энергий в парамагнетике и в резонаторе:

flip WW

где И - напряженность магнитного поля; У„р и Vp - объемы парамагнитного кристалла и резонатора; ркр и рр - относительные магнитные проницаемости кристалла и среды, заключенной в резонаторе. Если кристалл заполняет резонатор целиком, у=1. в противном случае 0<у< 1.

Упростим эквивалентную схему усилителя, удалив трансформатор и пересчитав сопротивления резонатора к первичной обмотке (рис. 9.66):

L =rfL; С = (lltv)C.

Коэффициент отражения по напряжению Г(а)) в линии от нагрузки Z (o))

Г (cu) = - (/?, - Z ((o))/(R, + Z (ш)). (9.16)

Сопротивление нагрузки составляет

ZA(o)=Ro+Ri-Tlx{), (9.17)

где д;(а)) =icoiL-l/(oC -реактивное сопротивление резонатора, пересчитанное на вход.

Коэффициент усиления по мощности G(a)) в данной схеме определяется как квадрат модуля коэффициента отражения от резонатора Г(о)). С учетом ф-л (9.16) и (9.17) имеем

а Н = ,ГWР = + + . (9.,8>

(Ro + R + Rcy+lx((o)]

В центре полосы, где л;(.а)) =0, желательно получить большое усиление, поэтому абсолютная величина суммы \iRc-\-Ro+Rm\ в знаменателе должна быть мала по сравнению с величиной \Rc-Ro-Rm\ в числителе (что возможно, поскольку Rm<0). При этом изменение реактивного сопротивления х'{а)) в числителе гораздо меньше влияет на коэффициент усиления, чем то же сопротивление в знаменателе, так что в числителе им можно пренебречь. Тогда из выражения (9.18) получаем

G( )=-/л . (9.19)

где R = Rc+Ro + Rm - полное сопротивление контура усилителя; Со - усиление в центре полосы:

Rc - Rq - R R

(9.20)

Разделив числитель и знаменатель последней дроби на mL, получим усиление Со, выраженное через добротности: Г, (UQc - 1/Qo - l/Q 2

(9.21>

Здесь Qc - добротность связи:

П2 tO Z.

Rc Rc

Q - полная добротность контура усилителя:

(Rjn) +Ro + R щ L

(9.22)

(9.23)

Q Qc Qo

Очевидно, усиление имеет место, когда Со>1 или согласно (9.21), когда

l/tQMl>l/Qo. (9-2

Условие (9.24) требует, чтобы мощность, отдаваемая парамагнетиком, превышала мощность потерь в стенках резонатора.

Если 1/Q=0, то усиление становится бесконечным, что соответствует потере устойчивости и началу генерации в системе, так как мощность излучения парамагнетика начинает преобладать над



туммарной мощностью потерь в стенках и отдаваемой в линию. С учетом ф-лы (9.23) запишем условие отсутствия самовозбуждения:

1/QmI<1/Qc+1/Qo- (9.25)

Объединяя выражения (9.24) и (9.25), получаем условие устой-1ШВОГ0 усиления;

l/Qo<l/Q l<lQc-f l,Qo. (9.26)

- Для анализа частотных свойств усилителя с отражательным резонатором рассмотрим выражение (9.19). Поскольку оно совпадает с формулой амплитудно-частотной характеристики резонансного контура, полоса усилителя Af по уровню половинной мощности определяется через полную добротность и частоту центра полосы fo:

Af = folQ. (9.27)

При высоких значениях полной добротности и соответственно при большом усилении полоса парамагнитного усилителя оказывается весьма узкой. Для резонаторного усилителя, как и для любого регенеративного усилителя, произведение корня квадратного из коэффициента усиления по мощности на ширину полосы является величиной постоянной (это произведение называют иногда площадью усиления). Действительно, с учетом ф-л (9.21) и (9.27) получаем

А / = (1/Q, - 1 Qo - 1Q ) fo- (9.28)

Таким образом, расширить полосу можно снижением усиления. Максимальная полоса усиления ограничивается шириной линии излучения парамагнетика.

Рассмотрим рис. 9.7. Особенность представленного усилителя в наличии отдельных передающих линий для входного и выходного сигналов. Для прохож-ления усиливаемого сигнала только в одном направлении применяются ферри-

Рис. 9.7. Структурная схема усилителя с проходным резонатором:

/ - источник сигнала: 2 - вентиль; .? -.источник иакачкм: 4 - резонатор с кристаллом; 5 - приемник

товые вентили. Проходной резонатор конструктивно сложнее, чем отражательный, так как содержит три устройства связи: два для передачи сигнала н одно для накачки.

Заменив усилитель эквива-пентной схемой, можно ана.погично предыдущему получить условие устойчивого усиления

1/Qq < 1/IQmI < l/Qci-b \/Qc2+ l/Qo, (9.29)

где Qci и Qcz - добротности связи со входной и выходной цепями.

Анализ показывает, что коэффицие;чт усиления по мощности прибора с проходным резонатором при прочих равных условиях примерно вчетверо меньше, а произведение V Go Д/ вдвое меньше, чем при использовании отражательного резонатора. Усиление уменьшается потому, чго в проходном резонаторе мощность, излучаемая парамагнетиком, поступает не только в выходную, но и во входную линию передачи, бесполезно теряясь во входном вентиле.

Тип используемого двухчастотного резонатора зависит от рабочего диапазона частот и свойств парамагнитного кристалла. В дециметровом диапазоне и в длинноволновой части сантиметрового диапазона обычно применяют отрезок полосковой линии, помещенный в объемный резонатор. В сантиметровом и миллиметровом диапазонах целесообразно использовать объемный резонатор с двумя подходящими типами колебаний на частотах сигнала и накачки.

Наибольшее распространение получили объемные резонаторы (рис. 9.8). Связь осуществляется через отверстия, прорезанные в металлическом покрытии.


Рис. 9.8. Резонатор в виде посеребренного кристалла:

/ - щель связи с сигнальным волноводом; 2 - отверстие свазм с волноводом накачки; Нцо и Ноз1 - колебания на частотах сигнала и накачки

Резонансные частоты определяются размерами кристалла, поэтому его обрабатывают с высокой точностью.

К величине и однородности внешнего магнитного поля предъявляются довольно высокие требования. Для достижения однородности поля в зазоре выбирают полюсные наконечники большого диаметра. В результате габариты и масса электромагнитов или постоянных магнитов получаются значительными. В последнее время разработаны магнитные системы со сверхпроводящими обмотками (так называемые сверхпроводящие магниты), которые позволяют существенно снизить массу и габариты систем. Эти магниты помещают в сосуд Дюара вместе с резонатором, благодаря чему сокращается объем, в котором необходимо создавать магнитное поле. Энергия питания расходуется только при включении сверхпроводящего магнита, а затем ток в обмотке может существовать бесконечно долго за счет явления сверхпроводимости Стабильность поля замороженного тока является абсолютной.

Однорезонаторные парамагнитные усилители разработаны в диапазоне частот 0,7100 ГГц с площадями усиления 1 GoAf от 10 до 100 МГц. Рабочие температуры составляют 1,6-4,2 К, в отдельных случаях повышаются до 40-77 К- Магнитные поля в зависимости от диапазона меняются в пределах 0,02-0,7 Т.

§ 9.6. ПАРАМАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

Устройство и основные расчетные соотношения квантового усилителя бегущей волны были приведены в § 8.2. Мощность вдоль длины прибора нарастает по экспоненциальному закону:

Я(г)=Я e (9.30)



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