Файл: Приемные устройства радиолокационных сигналов конспект лекций..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.07.2024
Просмотров: 105
Скачиваний: 0
2.Рабочее вещество необходимо возбудить по выбранной паре уровней, для чего в нем должен быть еще третий, нижний уро вень, с которого под воздействием вспомогательного электромаг нитного поля (будем называть его полем накачки) следует пере вести частицы на верхний уровень из пары выбранных уровней.
3.Для увеличения эффекта возбуждения рабочее вещество не обходимо охладить до очень .низких температур.
4.Длятого чтобы взаимодействие вещества и поля быдо дли
тельным, надо поместить рабочее вещество либо в пучность стоя чей волны поля в резонаторе (пучность магнитной или электриче ской составляющей поля в зависимости от природы вещества), либо обеспечить длительное взаимодействие бегущей волны с ра бочим веществом, располагая его вдоль замедляющей системы в волноводе.
5. Необходимо иметь возможность перестраивать рабочее ве щество, изменяя постоянное электрическое или магнитное поле так. чтобы разности энергий уровней (а следовательно, и частота) менялись в нужных пределах.
5.4. Конструкция квантового парамагнитного резонаторного усилителя
Основой усилителя является рабочее вещество, в качестве ко торого чаще всего используется окись алюминия — сапфир (А12 0 3). в кристаллической решетке которого часть ионов алюминия заме нена ионами парамагнитного вещества хрома (Сг) +3 . Получается кристалл рубина (А12 0 3 Сг2 0 3).
Рабочими переходами служат переходы, обусловленные маг нитными моментами парамагнитных ионов хрома. Ионы хрома в рубине имеют значительное число энергетических уровней, раз ность энергий которых соответствует длинам волн электромагнит ных колебаний 43, 21 см, 10, 3 см и т. д. Возможны и другие ра
бочие .вещества. Например, железный корунд |
(А120 з Р е 20 3), |
анда |
||
лузит (A l2S i0 5), рутил (Т і0 2Сг20 3). |
|
|
|
|
В рассматриваемом усилителе на рубине |
сигнальная |
длина |
||
волны Хс= 10 см (/с=3000 МГц), |
а длина |
волны накачки >.н= 3 см |
||
(/„=10000МГц). Расположение |
уровней |
показано на рис. |
53. |
|
Возбуждение осуществляется по методу трех уровней. Источ ником электромагнитных колебаний частоты накачки служит ма ломощный (10—30 мВт) клистрон.
Рабочее вещество помещено в объемный резонатор, способный резонировать на частотах сигнала и накачки на разных типах колебаний. Разрез резонатора и поле частоты накачки показаны на рис. 55,а, а поле частоты сигнала на рис. 55,6. На рис. 56 изо бражена конструкция резонаторного усилителя.
Рабочее вещество 1 помещено в резонатор 2 в пучности магнит ных составляющих полей сигнала и.накачки. Электромагнитные колебания накачки и сигнала подводятся в резонатор по двум
73
жестким коаксиальными линиями, связанным с резонатором — первая штырем, а вторая петлей.
Рис. 55 а,б
Для охлаждения резонатор помещен в сосуд Дьюара 3, напол ненный жидким гелием с температурой кипения 4°К. С целью по-
Рнс. 56
нижения температуры сосуд герметизирован и из него производит ся откачка паров гелия. Благодаря понижению давления, удается снизить температуру до 2°К (—271° по Цельсию).
Для уменьшения испарения жидкого гелия сосуд помещен во
второй сосуд Дьюара с жидким азотом 4. |
электромагнита |
Сосуды Дьюара помещены между полюсами |
|
5■ Величина тока электромагнита выбрана так, |
чтобы разность |
74;
энергетических уровней соответствовала требуемым частотам сиг нала и накачки.
Поскольку |
электромагнитные |
колебания сигнала усиливаются |
в резонаторе |
и отводятся по той |
же коаксиальной линии, по ко |
торой они поступают в резонатор, то для разделения входного и выходного сигнала поставлен циркулятор 6.
При наличии циркулятора усилитель работает?«на отражение». Возможен вариант включения усилителя «на проход», при кото-, ром к резонатору подключены отдельно входная и выходная ко аксиальные линии и в них включены однонаправленные элементывентили. Этот вариант используется очень редко.
5.5. Качественные показатели усилителя
По своему принципу работы квантовый резонаторный усили тель относится к типу регенеративных усилителей, в которых уси ление сигнала осуществляется за счет внесения в резонатор на частоте сигнала добавочной энергии, пропорциональной по вели чине энергии поданного сигнала.
Процесс внесения энергии в резонатор эквивалентен внесению в резонатор некоторой эквивалентной отрицательной проводимости Чтобы найти эту проводимость, обратимся к связи между прово
димостью и добротностью резонатора
и>Сэ
О |
~ Y |
' |
|
По определению, добротностью называется умноженное на 2п отношение энергии, запасенной в резонаторе, к мощности потерь за период. В соответствии с этим определением найдем доброт ность резонатора, обусловленную наличием в нем возбужденного рабочего вещества, излучающего энергию. Назовем эту доброт ность магнитной (так как вещество парамагнитное):
|
г\ |
2пЦ7зап |
|
|
|
Ѵ і п |
р |
т |
’ |
где |
|
' и з л - ' з г |
|
|
|
|
|
|
|
W3in — энергия, |
запасенная |
в |
резонаторе; |
|
Р»зл — мощность |
индуцированного |
излучения рабочего ве |
||
щества; |
|
|
|
|
Т я2 — период частоты сигнала. |
|
|
||
Заметив, что |
|
|
|
|
получим |
|
|
|
|
|
<эт= 2 г с ( ^ * е и г |
н а л ) |
||
|
- |
Рм з л |
|
|
75
В соответствии с определением добротности величина Q m от рицательна, ибо связана не с потерями, а с излучением энергии рабочим веществом. Следовательно, и проводимость, связанная с этой добротностью, будет отрицательна:
_ Ш.Ч2С»
т О- '
откуда
шзіС'р
G_
Q m
Эквивалентную схему резонатора при резонансе на частоте Угнала можно представить в виде, показанном на рис. 57. На рисунке:
|
|
Рис. 57 |
|
|
|
|
|
|
/с — генератор тока сигнала; |
|
|
|
.......... |
.резо |
|||
gc — проводимость |
источника |
сигнала, пересчитанная |
в |
|||||
натор (проводимость |
сигнальной |
линии, |
пересчитанная в |
резона |
||||
тор); |
|
|
|
|
|
|
|
|
goi — проводимость собственных потерь резонатора; |
|
|
||||||
G -— отрицательная проводимость, создаваемая |
возбужденным, |
|||||||
рабочим веществом. |
|
|
- |
■ |
|
|
|
|
Заметим, что |
|
|
|
|
|
|||
ёоі+іГс= £і —полная |
проводимость |
потерь |
с |
учетом |
потерь |
|||
в линии; |
|
|
|
|
|
|
|
|
g0 l—0 = £ вх— полная |
входная |
проводимость |
резонатора с ра |
|||||
бочим веществом; |
|
|
|
|
|
|
|
|
а 4^ = 1 —V —где ^ — коэффициент |
полезного |
дей |
||||||
ствия собственно резонатора без рабочего вещества;
= ß — коэффициент регенерации.
Так как усилитель работает «на отражение», то коэффициент усиления мощности определится как квадрат коэффициента отра жения |ГI2.
76
С учетом ранее сказанного получим
/Ср=|Г|*= Sc--іГвх |
2 |
Sc—Sbt+ö— |
2 |
Sc+ go1 +G——2^n |
|||
iTci-fias |
|
£c+£oi—О— |
|
|
£c+£oi—0 |
||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
£ i ( l + ? ) - |
|
" H - P |
|
|
|
|
|
£ i ( ‘ - - M |
- |
1 — 8 |
|
л О - М |
|||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 l) |
|
] |
L |
i - |
P |
J |
[ |
i = |
8 |
' j |
|
|
|
|
||||
При достаточно большом 8 |
, стремящемся |
к единице, |
|||||
/< р -- |
2 1 -I-1 |
+P |
' 2 ij ' |
|
|
4ё\ |
|
>-P |
L1—p. |
|
giU -W |
||||
L |
|
||||||
Практически величина коэффициента усиления усилителя вы бирается в пределах 15—25 дБ.
а) Полоса пропускания усилителя
Так как спектр электромагнитных колебаний, взаимодейству ющих с веществом,, значительно шире полосы пропускания резо
натора усилителя, то полоса |
пропускания определяется полосой |
резонатора |
• |
/ 7 = __ !_______£=>_
2лС9Я, ~ 2кС3 '
где
Сэ и Пэ— соответственно эквивалентная емкость и полное экви валентное сопротивление резонатора;
=«§r9=grc + g - o i- ö = ^ (i- ß );
п _gi(‘—Р)
2*С, '
Нетрудно заметить, что коэффициент усиления мощности и по лоса пропускания взаимозависимы. Попытка увеличить коэффици ент усиления путем увеличения ß приведет к сужению полосы про пускания. ■
Практически полоса пропускания квантового парамагнитного резонаторного усилителя невелика и составляет 0,05—0,1% от не сущей при коэффициенте усиления мощности порядка 20 дБ.
б) Коэффициент шума усилителя
Основными источниками шума в усилителе являются шумы соб ственно резонатора, обусловленные тепловым движением свобод ных электронов в материале резонатора и спонтанное излучение квантов частицами (ионами хрома) за счет спонтанных переходов с уровня Ws на.уровень Ws.
I і
Средний квадрат шумового тока первого источника равен'
7шрез= 7 ш О ~ ^ Г р е э ' / 7 ш# оі-
Шумовой ток второго источника найдем, отнеся шумы рабо чего вещества к проводимости 0_, при некоторой температуре Тт ;
где |
|
рабочего |
вещества, равная |
||
-шумовая температура |
|||||
'7 * |
|
27*оез ’ /з» . |
|
|
|
|
|
if2 |
зз |
|
|
швых I |
/ 2 |
f l |
I f l |
г f l |
|
І ш в х 2 / Ч |
‘ шс ■ * шО |
I 'ш т |
|||
к т- |
/2 / с2 |
|
|
|
|
|
1 ш с'х| |
|
|
|
|
Подставив І2ш0, 7шш И |
|
|
|
получим |
|
i s |
1 |
_ 7резёоі |
Ущ.1б—I |
|
|||
|
|
|
Tngc |
^ |
7„ |
• |
|
Второе слагаемое |
ничтожно |
мало, |
так как |
^рез= 4°АГ: |
|||
|
Т0=290°К, |
а goi<gc- |
|
||||
Третье слагаемое тоже невелико, ибо при |
Грез=4°/( |
||||||
/з 2 |
= 3 |
’ Ю9 Гц |
/ 2І= 6 |
■10» Гц: |
|
||
т _ |
|
2 • 4 ■з • Ю9 _ |
Аок |
|
|||
а, как известно, |
m |
6 |
ІО9 —Ч. 1 |
0 s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|G—і = ß « 0 |
. 8 |
и |
£ o i < ^ g C' |
то |
|
||
ffin+gc |
|
|
|
|
|
|
|
и третье слагаемое примерно равно ^8 |
’0,9=0,025. |
||||||
Таким образом, коэффициент шума квантового усилителя дости |
|||||||
гает очень малых величин порядка |
1,03—1,04 (эффективная шумо |
||||||
вая температура 8,7—11,6 К).
Это объясняется тем, что ® процессе усиления не участвуют сво бодные носители зарядов и связанный с ними дробовой эффект.
5.6. Понятие о квантовом усилителе бегущей волны
Распространенной разновидностью квантовых усилителей явля ется квантовый усилитель бегущей волны (рис. 58). В нем исполь зуется взаимодействие рабочего вещества с замедленной бегущей электромагнитной волной.
Конструктивно усилитель бегущей волны представляет собой от резок волновода / с расположенной вдоль него замедляющей си стемой на частоте сигнала 2. К началу замедляющей системы под
78
