|
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 причем показатель усиления к определяется по ф-ле (8.9) с заменой добротности активной среды Qa на магнитную добротность Qm-Для увеличения усиления применяют замедляющие системы, которые, в отличие от используемых в электронных приборах свч, должны уменьшать групповую, а не фазовую скорость волны. В квантовых усилителях не создается какой-либо синхронизм волны и частиц, а следует обеспечить только достаточное время их взаимодействия. - Замедляющую систему помещают в волновод накачки или в объемный резонатор с резонансной частотой, равной частоте накачки. Поскольку размеры системы довольно велики, резонатор работает на одном из высших типов колебаний. По сравнению с резонаторными приборами квантовые усилители бегущей волны имеют ряд преимуществ. Замедляющая система может иметь полосу пропускания, значительно превышающую ширину линии использованного парамагнитного кристалла, и тогда полоса пропускания определяется свойствами самого кристалла. Согласно ф-ле (8.16) при обычных коэффициентах усиления 20-30 дБ полоса усилителя составляет примерно 1/3 ширины линии кристалла. Поэтому усилители бегущей волны имеют большую полосу, чем резонаторные приборы. Вследствие широкополосности замедляющей системы перестройка частоты усилителя бегущей волны сводится к изменению значения магнитного поля и частоты накачки. В резонаторных приборах возникает необходимость дополнительной перестройки двух-частотного резонатора. Выходная мощность квантовых усилителей в значительной мере определяется количеством активного вещества. Поскольку размеры резонатора жестко связаны с длиной волны, резонаторные приборы содержат активного вещества раз в десять меньше, чем усилители бегущей волны. Это определяет большую выходную мощность и больший коэффициент усиления приборов второго типа. Усилители бегущей волны менее чувствительны к флуктуациям мощности накачки и магнитной добротности, а также к изменению нагрузки. У резонаторных усилителей вследствие сильной внутренней обратной связи проявляются регенеративные эффекты и в результате получается значительно большая нестабильность усиления. Усилителям бегущей волны присущи также некоторые недостатки. Поскольку размеры замедляющей системы и парамагнитного кристалла велики, увеличивается объем, в котором необходимо поддерживать о.днородное магнитное поле, что вынуждает увеличивать размеры и массу магнита и криостата. В связи с увеличением объема рабочего вещества необходима большая мощность накачки, а это увеличивает расход жидкого гелия. Практически в усилителях бегущей волны дециметрового и сантиметрового диапазонов применяются замедляющие системы типа штыревой гребенки или плоской спирали. Устройство парамагнитного усилителя на штыревой гребенке показано на рнс. 9.9. Мощность накачки поступает по волноводу, а сигнал - по коаксиальной линии. Магнитное поле волны эллиптически поляризовано в плоскости, перпендикулярной штырям, причем по обе стороны штырей направления вращения поля противоположны. Поэтому с одной стороны штырей помещен парамагнитный кристалл, а с другой - ферритовый вентиль, который обеспечивает большое Рис. 9.9. Устройство парамагнитного усилителя бегущей волны: / - парамагнитный трксталл; 2-чер-ритовый ввнтлль; 3 -аходиая коа сн1-аьиая лиН1ия; 4 - волновод накачк.и: Я - штыри замедляющей системы затухание обратной волны, необходимое для устойчивого усиления. Внешний магнит, ие показанный на рисунке, создает постоянное поле, перпендикулярное высокочастотному, т. е. направленное вдоль штырей. Для охлаждения рабочего вещества волновод с кристаллом помещают в сосуд Дюара или сопрягают с холодильной машиной замкнутого цикла. Рис. 9.10. Парамагнитный усилитель с диэлектрической замедляющей системой: ; - кристалл рутила; 2 - феррн-тоаая пластина; 3-согласующий клии; 4- входной 1волновод В миллиметровом диапазоне волн наиболее распространены диэлектрические замедляющие системы (рис. 9.10). Парамагнитный кристалл с большой диэлектрической проницаемостью, например рутил ( =100-200), выполняет функ-иии как активного вещества, так и элемента, замедляющего волну. Парамагнитные усилители бегущей волны разработаны в диапазоне от 1,4 до 70 ГГц с коэффициентом усиления 20-40 дБ и полосами пропускания в несколько десятков мегагерц. Для расширения полосы линии парамагнитного резонанса на отдельных участках кристалла сдвигают друг относительно друга с помощью неоднородного магнитного поля. Этот метод позволяет расширить полосу до нескольких сотен мегагерц. Перестройка центральной частоты усиления возможна в полосе от нескольких процентов до 30%. Активное вещество охлаждают обычно до гелиевой температуры 4,2 К- Шумовая температура усилителей без антенны и волноводного тракта может составлять всего 5-8 К- В заключение остановимся на амплитудных характеристиках парамагнитных усилителей. Как отмечалось в § 8.3, по мере увеличения плотности поля сигнала разность населенностей на рабочем переходе активной среды умень^ шается. Поэтому при воздействии на усилитель даже сравнительно маломощных входных сигналов коэфф1щиент усиления падает - наблюдается эффект насыщения (рис. 9.П). Насыщение усилителей бегущей волны на рубине происходит при уровнях входного сигнала 1-10 мкВт, а резонаторных усилителей - при еще меньших уровнях. Через некоторое время после прекращения действия входного сигнала первоначальная инверсная населенность рабочего перехода восстанавливается. Время восстановленгия зависит более всего от времени спин-решеточной релаксации и составляет для рубина 10--Ю-с. Для повышения порога насыщения парамагнитных усилителей следует сокращать время спин-решеточной релаксации, увеличгивать объем активного вещества и концентрацию активных частиц, а также таеличивать однородность высокочастотного поля в резонаторе. Рис. 9.11. Амплитудная характеристика парамагнит.ю-го усилителя § 9.7. .МНОГОРЕЗОНАТОРНЫЕ ПАРАМАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ Параметры резонаторных парамагнитных усилителей могут быть значительно улучшены при использовании многорезонатор-ной схемы, впервые предложенной советским ученым В. Б. Штейн-шлейгером. На рис. 9.12 показана структурная схема отражательного усилителя с одним активным резонатором и несколькими пассивными (не содержащими актив-*юго вещества). Пассивные резонаторы изменяют форму частотной характеристики усилителя так, чтобы сделать ее максимально плоской, т. е. наиболее близкой к оптимальной прямоугольной форме. Анализ показывает, что при усилении 10 дБ добавление одного пассивного резонатора позволяет более чем вдвое расширить полосу усилителя. Еще лучшими параметрами обладают отражательные усилители с несколькими активными резонатора.мн. Усилитель со свя- Рис. 9.12. Структурная схема мно-горезонатопного отражательного усилителя: /-соглаооваи>ня нагрузка: 2 - циоку-пятар; г -н.-точннк сигнала; 4 -приемник; 5-шэссивные резонаторы; 6 - активиый резонатор; 7 - источник накачки занными резонаторами имеет ту же структурную схему рис. 9.12, если все резонаторы в цепочке активные. Возможно также каскадное соединение однорезо-наторных усилите.пей, однако при этом требуется большое количество циркуляторов. В схемах, содержащих несколько активных резонаторов, пассивные резо- наторы обычно не применяются, поскольку влияние их на расширение полосы уменьшается вместе с увеличением числа активных резонаторов. Наряду с отражательными приборами разработаны и используются многорезонаторные проходные усилители, в которых резонаторы проходного типа соединяются каскадно и развязываются между собой при помощи ферритовых венти.пей. Вентили имеют малые габариты, работают в поле магнита усилителя II могут быть охлаждены вместе с активными резонаторами. Поскольку в усилителях этого типа часть излучаемой энергии поглощается в вентилях или во входном волноводе, широкополосность их меньше, чем у отражательных схем. Нестабильность уси.пения приборов с несколькими активными резонаторами оказывается существенно меньше, чем однорезонаторных усилителей. При увели-чепип числа резонаторов нестабильность быстро уменьшается до значений, характерных для парамагнитного усилителя с бегущей волной. § 9.8. ПРИМЕНЕНИЕ ПАРАМАГНИТНЫ.Х УСИЛИТЕЛЕЙ Главным достоинством квантовых усилителей свч является чрезг-вычайно низкий уровень собственных шумов, что обусловило их применение в наземных радиоприемных системах с предельной чувствительностью. Антенны высокочувствительных приемных систем должны обладать малыми омическими потерями и минимальным уровнем боковых и задних лепестков диаграммы направленности. Последнее требование предопределено тем, что эти лепестки направ-чены на Землю, дающую большое шумовое излучение. Потери мощности в тракте, связывающем антенну с усилите.пем, эквива.пентны повышению-шумовой температуры на входе усилителя. Поэтому квантовый усилитель целесообразно размещать непосредственно в фокусе антенны. Практически применяются рупорно-параболическпе и двухзеркальпые малошумящие антенны (кассе-греновского типа). Парамагнитные усилители используются в СССР и США в системах связи с автоматическими космическими станциями. Они применялись при приеме изображений поверхности Марса, для связи со станциями Зонд при фотографировании обратной стороны Луны и в других экспериментах. Разработаны системы глобальной связи через искусственные спутники Земли. Действующие системы рассчитаны на тысячу двусторонних телефонных каналов и один телевизионный канал. В США проводились исследования радиоизлучения Венеры, Марса, Юпитера, Сатурна, а также внегалактических объектов. При помощи парамагнитных усилителей выполнена в СССР обширная программа исследований излучения возбужденного галактического водорода. Парамагнитный усилитель, помещенный на в.ходе приемника радиолокационной системы, значительно увеличивает чувствительность. В СССР был успешно поставлен уникальный эксперимент по радиолокации Венеры, Марса, Меркурия. В ряде стран, особенно в США, парамагнитные усилители интенсивно внедряются в радиолокационные системы противоракетной и противовоздушной обороны. Квантовые усилители локационных систем необ.ходимо защищать от мощны.х импульсов передатчика, просачивающихся на вход приемника. Под воздействием импульса квантовый прибор насыщается, а время восстановления усиления после окончания действия импульса составляет 10--Ю-с Поэтому при неудовлетворительной защите приемника локатор не регистрирует сигналы от объектов, находящихся на расстояниях менее 150-1500 км. § 9.9. КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ Измерение частоты (времени) является одним из наиболее рас--пространенных измерительных процессов. Основу систем измерения частоты составляют опорный стандарт и аппаратура сравнения измеряемой величины со стандартом. Основное требование, предъявляемое к любому стандарту частоты, - стабильность, или способность сохранять выбранное значение частоты неизменным в течение длительного промежутка времени. Поскольку частота квантового перехода определяется рабочим веществом и слабо зависит от многих внешних дестабилизирующих факторов, создание квантовых стандартов значительно повысило достижимую стабильность. Квантовые стандарты частоты делятся на два класса: активные, или квантовые генераторы, и пассивные, у которых спектральная линия используется для подстройки частоты вспомогательного генератора. Генератор на пучке молекул аммиака явился первым прибором, в котором электромагнитные колебания генерировались вследствие вынужденного излучения микрочастиц. Генератор построен на двухуровневой схеме, причем в качестве рабочей используется одна из пар так называемых инверсионных колебательных уровней с частотой перехода примерно 23 870 МГц. Схема генератора тюказаиа на рис. 9.13. Из источника / молекулы а'ммиака МНз выходят через капилляры и образуют молекулярный пучок 2. Пучок проходит сквозь сортирующую систему 3, в которой из пучка удаляются молекулы, на- Рис. 9.13. Устройство квантового генератора, использующего пучок молекул аммиака: - источник молекул; 2 -/пучок молекул; 3 - сортирующая система; * -объемный резонатор; 5 -выходной волновод; 6 -откачной патрубок ходящиеся на нижнем энергетическом уровне пары рабочих инверсионных состояний. Далее пучок, в котором число молекул на верхнем уровне преобладает, пропускается через объемный резонатор 4, настроенный на частоту используемого перехода. Электромагнитное поле резонатора воздействует на пролетающие молекулы и вызывает их вынужденное излучение. Таким образом, осуществляется обратная связь, и если мощность излучения превысит сумму потребляемых мощностей, генератор самовозбуждается. Сортирующую систему выполняют обычно в виде квадрупольного конденсатора (рис. 9.136). Напряженность электрического поля на оси системы равна нулю и увеличивается по радиусу. Под воздействием электрического поля энергетические уровни молекул, обладающих электрическим дипольным моментом, смещаются (эффект Штарка). При использовании аммиака 1NH3 энергия верхнего инверсионного уровня увеличивается, а нижнего уменьшается. Поскольку квантовая система стремится к устойчивому состоянию с минимальной энергией, молекулы, находящиеся на верхнем уровне, перемещаются в неоднородном поле квадрупольного конденсатора в область с минимальной напряженностью, т. е. фокусируются на оси. Наоборот, молекулы, находящиеся на нижнем уровне, удаляются от оси в область максимальной напряженности поля. Число поступающих в резонатор за одну секунду частиц, при котором энергия вынужденного излучения равна полной потере энергии на той же частоте, называется пороговым потоком частиц. Для рассматриваемого генератора пороговый поток составляет около 10* молекул в секунду. В молекулярном генераторе по возможности устранены все факторы, вызывающие уширение линии. При низком давлении газа и большой длине свободного пробега соударений между молекулами практически нет, а так как пучок сфокусирован, можно пренебречь и соударениями молекул со стенками резонатора. Поэтому уширение спектральных линий вследствие соударений в молекулярных генераторах не наблюдается. Для уменьшения допплеровского уширения следует согласно ф-ле (7.25) увеличивать фазовую скорость поля вдоль оси резонатора. Для этого в резонаторе используют тип колебаний с однородным рас-лределением поля вдоль оси. Практически ширина спектральной линии определяется временем пролета молекул сквозь резонатор и составляет несколько килогерц. Такой полосой пропускания прибор может обладать в режиме усиления, когда поток молекул, поступающих в резонатор, ниже порогового. После установления режима автоколебаний, как отмечалось в § 7.5, спектральная линия генерации становится на несколько порядков уже по сравнению с линией усиления. Частота колебаний молекулярного генератора зависит от ряда факторов, таких, как ластройка резонатора, влияние нагрузки и волноводного тракта, изменение напряжения на сортирующей системе, изменение интенсивности молекулярного пучка и др. Однако в целом стабильность частоты получается чрезвычайно высокой. Относительная нестабильность частоты генераторов на аммиаке, т. е. отношение средней величины отклонения частоты Ai/ к средней частоте fo, составляет Ю- -Ю . Отметим, что система измерения времени с нестабильностью 10- дает погрешность в 0,1 с за 300 лет работы. Мощность генераторов составляет величину от 10-° до 10 Вт. Еще меньшая нестабильность у генераторов на пучке атомов водорода порядка 10 . Однако выходные мощности их также меньше: 10- -10- Вт. Из пассивных стандартов частоты наибольшее распространение получил прибор, использующий пучок атомов цезия. Цезиевый стандарт стал основой эталона; времени и частоты. В системе единиц СИ единица времени - секунда - определена как 9 192 631770 периодов излучения, соответствующего избранному квантовому переходу атома цезия-133. Относительная нестабильность частоты цезиевого стандарта составляет примерно 10~ . За последнее время разработаны стандарты частоты с оптической накачкой, отличающиеся малыми размерами и простотой эксплуатации. Эти стандарты работают по трехуровневой схеме, причем частота накачки расположена в оптнНЁ::-ском, а частота сигнала - в свч диапазоне. |