Файл: Басалов Ф.А. Некоторые вопросы техники сверхвысоких частот [конспект лекций].pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 66
Скачиваний: 0
только одна — дробовой эффект. Коэффициент шума усилите ля при использовании современных типов ЛБВ достигает. вели
чины Ш = 4-т-б; 2) большое усиление. Усилители на ЛБВ всегда работают
в режиме согласования на входе и выходе, поэтому коэффициент усиления мощности равен коэффициенту усиления поминальной мощности и имеет величину порядка
|
|
|
К р = |
м = |
102■— |
101; |
|
|
|
|
|
|
3) широкая полоса пропускания. |
Объясняется |
это |
тем. |
что |
||||||||
в данном усилителе |
нет |
резонансных |
колебательных |
систем. |
||||||||
Полоса |
пропускания |
усилителя |
ограничивается |
только |
согла |
|||||||
сующими |
устройствами и имеет |
величину порядка 20 4-30% |
от |
|||||||||
средней |
частоты. |
|
|
ЛБВ следует |
отнести |
большие |
||||||
К недостаткам усилителя на |
||||||||||||
габариты и вес, а также |
большой |
расход |
мощности |
на пи |
||||||||
тание |
соленоида. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Молекулярные усилители СВЧ
Молекулярными, или квантовыми, усилителями СВЧ назы вают такие усилители, в которых используется взаимодейст вие частиц вещества (молекул, атомов) с электромагнитным полем СВЧ.
IV*
W?
К?
w,
o c h o Ohol1 уро&риа
зл—бозБушденпые уробни
а - нйантойые переходы с излучена e v
Б- с п о г п о и р е н и ем
Ри с . 74.
Известно, что микросистемы (молекулы или атомы) сос тоят из элементарных взаимодействующих между собой частиц (электронов, протонов и других), которые совершают разнообразные колебательные и вращательные движения. Такие системы подчиняются законам квантовой механики. Квантовомеханические свойства систем проявляются в том, что их энергия квантована, то есть принимает не любые, а только строго определенные дискретные значения, называе мые энергетическими уровнями. Поэтому изменение энергии
72
такик систем (переход с одного энергетического уровня на другой) происходит не плавно, а скачкообразно.
Совокупность возможных внутренних состояний системы может быть изображена на диаграмме рядом энергетических уровней (рис. 74). Число уровней и разность энергии между ними зависит от природы вещества.
Под влиянием внешнего электромагнитного поля опреде ленной частоты частицы вещества поглощают порцию энер гии, называемую квантом, и совершают переход на более высокий энергетический уровень. Переход частиц на более низкий энергетический уровень может сопровождаться излу чением кванта электромагнитной энергии определенной частоты (рис. 74). Выражение „частица находится на таком-то энергетическом уровне" следует понимать так, что она обладает таким-то запасом внутренней энергии.
Связь между изменением внутренней энергии частиц вещества и частотой излученного кванта электромагнитной энергии определяется уравнением
W 2- Wt = h •/2_r
где Wo и W , — значения внутренней энергии частиц веще- ■ства, соответствующие 2 и 1-му энерге тическим уровням;
h— постоянная Планка, равная 6,624-10-34 дж-сек;
/2-1 — частота излученного кванта электромагнитной
|
|
|
|
энергии, |
соответствующая |
переходу |
частиц |
|||
|
|
|
|
со 2-го на 1-й энергетический уровень. - |
||||||
|
Известно, что |
наиболее устойчивым состоянием |
любой сис |
|||||||
темы, в том числе |
и микросистемы, является |
состояние |
с наи |
|||||||
меньшей энергией, |
называемое основным. Однако |
вследствие |
||||||||
теплового |
движения внутренняя |
|
|
|
||||||
энергия |
частиц |
увеличивается |
|
|
|
|||||
и часть |
их |
находится |
на |
более |
|
|
|
|||
высоких |
|
энергетических |
уро |
|
|
|
||||
внях. Причем число частиц N, |
|
|
|
|||||||
находящихся на этих уровнях, |
|
|
|
|||||||
тем меньше, чем выше |
уровень |
|
|
|
||||||
W |
и чем |
ниже |
|
температура. |
|
|
|
|||
Количественное |
распределение |
|
|
|
||||||
частиц по энергетическим уров |
|
|
|
|||||||
ням в состоянии термодинами |
|
|
|
|||||||
ческого |
равновесия |
определяет |
Р и с . 75. |
|
|
|||||
ся |
так |
называемым |
законом |
|
|
|
Больцмана (рис. 75).
Равновесие системы нарушается при изменении температуры или при воздействии внешнего электромагнитного поля, частота которого соответствует переходу между какими-либо двумя уровнями системы. После прекращения внешнего воздействия
73
система возвращается в |
состояние |
термодинамического равно |
|
весия. Процесс перехода системы |
в новое состояние |
термоди |
|
намического равновесия |
или возвращения в исходное |
состояние |
термодинамического равновесия называется релаксацией. Время релаксации зависит от природы веществам от температуры, причем с уменьшением температуры оно увеличивается. Процессы релаксации обычно не связаны с излучением энергии. Избыток внутренней энергии при протекании таких процессов перехо
дит в тепло. Объясняется это гем, что частицы, |
переходя с |
|||||||||
более высокого уровня на более |
низкий, |
выделяют |
кванты |
|||||||
энергии некогерентно (несогласованно). |
могут |
взаимодей |
||||||||
Как уже отмечалось, частицы |
вещества |
|||||||||
ствовать с электромагнитным |
полем |
определенной |
частоты. |
|||||||
Это взаимодействие |
можно |
рассматривать |
как |
поглощение |
||||||
кванта |
электромагнитной энергии |
частицей |
и переход ее на |
|||||||
более высокий уровень или как |
переход |
частицы |
на |
более |
||||||
низкий |
уровень и |
излучение |
при |
этом |
кванта |
энергии. |
||||
Если |
число, частиц |
в системе |
на |
том |
и другом |
уровнях |
одинаково, то при воздействии электромагнитного поля
соответствующей |
частоты никакого |
конечного эффекта |
|||
наблюдаться не будет, так как равновероятен |
переход час |
||||
тицы „снизу — вверх“ и „сверху — вниз11. |
|
|
|||
Если |
на нижнем |
уровне частиц больше, чем на верхнем, |
|||
то при |
воздействии |
электромагнитного |
поля |
будет |
наблю |
даться |
поглощение |
его энергии. При этом большее |
число |
частиц перейдет на верхний уровень, нарушив распределение Больцмана.
Если в системе заранее создан па верхнем уровне избыток частиц (по сравнению с распределением Больцмана), то при воздействии на нее даже очень слабого электромагнитного поля вызывается переход „избыточных" частиц с верхнего на
нижний уровень |
с |
когерентным (согласованным) излучением |
|||||||||
квантов электромагнитной энергии. При |
этом |
вся |
выделив |
||||||||
шаяся энергия |
излучения |
переходит |
в энергию |
электромаг |
|||||||
нитного |
поля. |
Если |
количество |
избыточных |
частиц |
велико, |
|||||
то энергия поля |
может |
увеличиться |
во |
много |
раз. Это |
||||||
явление Шазывается |
индуцированным |
излучением и |
является |
||||||||
основой |
создания |
молекулярных (квантовых) усилителей СВЧ. |
|||||||||
На |
практике |
в |
последнее |
время |
находят |
все |
большее |
применение молекулярные (квантовые) усилители на твердом рабочем вещест-ве, в качестве которого используются пара магнитные кристаллы (например, рубин). Эти усилители получили название парамагнитных.
Схема устройства парамагнитного усилителя приведена на рис. 76. Он состоит из парамагнитного кристалла 1, помещен ного в объемный резонатор 7, находящийся в магнитном поле электромагнита 2. Объемный резонатор помещен в двойную систему' сосудов Дьюара, один из которых с жидким гелием 5, а второй — с жидким азотом 6. С помощью такой
74
системы рабочее вещество охлаждается до температуры жидкого гелия (7 = 4,2°К). С помощью охлаждения увеличи вают время релаксации, так как у твердых рабочих веществ оно очень мало. Сосуд с жидким азотом используется с целью уменьшения испарения гелия. Через волновод 4 в объемный резонатор подается вспомогательное возбуждаю-
3 4
Р и с . 7 6 .
щее электромагнитное поле СВЧ от генератора, называемого генератором накачки. Волновод 3 является входным и вы ходным для сигнала. Для разделения входного и выходного сигналов при этом используется циркулятор (§ 1).
В парамагнитном усилителе для возбуждения рабочего вещества применяется метод, впервые предложенный в 1955 году советскими учеными Н. Г. Басовым и А. М. Прохоро вым, который основан на использовании трех энергетических уровней и вспомогательного электромагнитного поля СВЧ (поля накачки).
Суть этого метода заключается в следующем. В квантовой системе (парамагнитный кристалл) выбираются три энергети ческих уровня, как показано на рис. 77, а. Когда система находится в равновесии, количество частиц на каждом из этих уровней определяется законом Больцмана. При низкой температуре кристалла различие в количестве частиц на этих уровнях достаточно велико. Такая система способна погло щать электромагнитную энергию на частотах соответствующих переходов. Облучим эту систему электромагнитной энергией частоты / i -з от генератора накачки. При этом частицы будут переходить с 1-го уровня на 3-й. При достаточной мощности электромагнитного поля накачки интенсивность перехода будет высокой и число частиц на 3 и 1-м уровнях сравняется
7 5
(рис. 77 6). |
Число частиц на 2-м уровне будет теперь |
больше, |
|||
чем на 1-м. |
Если |
теперь облучить |
систему |
слабым |
электро |
магнитным |
полем |
на частоте /г-i |
(сигнал, |
подлежащий уси |
лению), то частицы перейдут со 2-го уровня на 1-й и произойдет индуцированное излучение на этой частоте, в результате чего поле будет усилено. Непрерывность этого
процесса обеспечивается |
постоянным облучением системы |
о) |
б) |
полем накачки, перемещающим частицы |
с 1-го уровня на |
3-й, а с 3-го уровня частицы в результате |
процесса безызлу |
чательной релаксации переходят на 2-й. Таким образом, сис
тема постоянно поддерживается |
в возбужденном |
состоянии |
||||
(обеспечивается избыток частиц на 2-м уровне). |
происходит |
|||||
При изменении |
величины магнитного |
поля |
||||
смещение |
энергетических уровней парамагнитного кристал |
|||||
|
|
ла (рис. |
78). Это явление, называе |
|||
|
|
мое эффектом Зеемана, может быть |
||||
|
|
использовано для перестройки ра |
||||
|
|
бочей частоты парамагнитного уси |
||||
|
|
лителя. |
|
|
|
|
|
|
Основные достоинства парамаг |
||||
|
|
нитного |
усилителя: |
оче |
||
|
|
1) |
|
достигающий |
||
|
|
шума, |
|
величины |
||
|
|
Ш — 1,05 -г-1,005. |
Объясняется это |
|||
|
|
тем, что дробовой эффект здесь |
||||
как число |
частиц, |
существенной роли не играет, так |
||||
участвующих |
в |
процессе усиления, значи |
тельно больше числа электронов в электронной лампе. Кроме того, порции энергии — кванты, отдаваемые каждой частицей полю, строго одинаковы и в тысячи раз меньше энергии, отдаваемой отдельным электроном в нагрузку. Тепловые
76
шумы элементов |
усилителя ничтожно |
малы, так как он |
работает при очень |
низкой температуре (Т |
4,2°К); |
2)значительный коэффициент усиления, достигающий величины /(^ = 25-т-35’ <М.
К недостаткам парамагнитных усилителей следует отнести: 1) требование охлаждения до очень низких температур.
Использование холодильных установок (криостатов) увеличи вает габариты и вес усилителей;
2)малая полоса пропускания;
3)способность перегружаться при приеме сильного (отно сительно предельной чувствительности) сигнала и большое время восстановления усилительных способностей после этого.
Насыщение парамагнитного усилителя наступает при входном сигнале
Рвх = Ю -9 -г - Ш - 10 вот.
3.Параметрические усилители СВЧ
Параметрическими усилителями называют такие усилите ли, в которых используются колебательные системы с пери одически меняющимися во времени реактивными парамет
рами. |
параметрического |
возбуждения |
колебаний |
в |
||||
Явление |
||||||||
механических |
системах |
было |
исследовано еще в прошлом |
|||||
веке |
Фарадеем |
и другими |
учеными. |
Параметрические явле |
||||
ния |
в колебательных контурах |
с целью усиления электри |
||||||
ческих колебаний были |
впервые- |
исследованы |
советскими |
|||||
учеными Л. И. Мандельштамом и Н. Д. |
Папалекси |
в |
||||||
1929 - 1940 |
гг. |
|
|
|
|
|
|
Рассмотрим принцип параметрического усиления колеба
ний в |
колебательном контуре, емкость конденсатора которого |
|||||
может |
изменяться |
путем |
раздвижения |
и сближения пластин |
||
(рис. 79). Предположим, |
что контур |
|
||||
был возбужден от какого-то посто |
г |
|||||
роннего генератора. При этом в кон |
|
|||||
туре существуют колебания и напря |
|
|||||
жение на конденсаторе ис синусои |
|
|||||
дально изменяется (рис. 80). |
времени |
|
||||
Допустим, |
что |
в момент |
|
|||
Z) включено |
устройство, |
которое пе |
|
|||
риодически |
раздвигает |
и |
сближает |
Р и с . 79. |
||
пластины конденсатора. |
Причем пла |
|
стины раздвигаются в те моменты времени, когда напряжение на конденсаторе ис максимально, а сближаются — при ис = 0; Как известно, емкость плоского конденсатора и напряже
ние на нем определяются следующим образом:
77