Файл: Кацман, Ю. А. Электронные и квантовые приборы сверхвысоких частот учебное пособие.pdf

па используемой структуры для концентрации полей и осу­ ществления их взаимодействия с рабочим веществом разли­ чают КГТУ р е з о н а т о р н о г о и в о л н о в о д н о г о типов. Последние называют еще усилителями бегущей волны. Ре­

КПК показано на рис. 57. Резонатор или волновод с кристал­ лом 1 помещают в криостат 2, представляющий собой двой­ ной сосуд Дюара. Внутренний сосуд заливается жидким ге­ лием 3, а внешний — жидким азотом 4, уменьшающим ско­ рость испарения гелия. Постоянное магнитное поле создается с помощью постоянного магнита 5, электромагнита или маг­ нитной системы со сверхпроводящими обмотками; магнит мо­ жет быть размещен как внутри сосудов Дюара, так и вне их.

Рассмотрим однорезонаторный КПУ отражательного ти­ па. Блок-схема включения такого прибора показана на рис. 58. Сигнал поступает из антенны 1 через плечи I к II ферритового циркулятора 3, усиливается в резонаторе 6 и поступает через плечи II и III циркулятора в приемник 4. Накачка подается от специального генератора накачки 7, в качестве которого обычно используется отражательный клистрон или маломощный магнетрон. При включении КПУ но рассматриваемой схеме один и тот же волновод 5 служит для подачи в резонатор с кристаллом сигнала из антенны и

1 2 а

вывода усиленного сигнала. Разделение этих двух сигналов как раз и производится ферритовым циркулятором. Для по­ глощения шумов, излученных входом приемника, или сиг­ нала, отраженного от входа в случае плохого согласования, используется согласованная нагрузка 2.

Одним из наиболее важных параметров КПУ является площадь усиления— произведение коэффициента усиления по напряжению ц в центре полосы пропускания на ширину полосы. Максимальная площадь усиления однорезонатор­ ного отражательного КПУ на рубине составляет около 0,02.

Рис. 58

При коэффициенте усиления от ц=10 до р = 100 это соответ­

ствует относительной полосе частот от 0,2% до 0,02% со­

ответственно. В то же время ширина спектральной линии для рубина составляет, как указывалось, 50—70 МГц или по отношению к частоте в 3000 МГц около 2%. Таким образом, ширина полосы однорезонаторного отражательного КПУ го­ раздо меньше ширины линии вещества. Увеличение площади усиления может быть достигнуто переходом к многорезона­ торным конструкциям. В этом случае резонансная система усилителя состоит из нескольких связанных резонаторов, в каждом из которых располагается рабочее вещество. По­ лоса пропускания системы связанных резонаторов больше, чем одиночных резонаторов, и поэтому усилители на базе та­ кой системы получаются более широкополосными. В санти­ метровом диапазоне длин волн при использовании двухрезо-

124

наторной конструкции можно получить полосу частот усили­ теля порядка 30—40 МГц; в коротковолновой части деци­ метрового диапазона такие же значения достигаются в трех­ резонаторной конструкции. Многорезонаторные усилители сложнее в настройке и требуют большей мощности накачки, которую нужно заводить в каждый из резонаторов. Пере­ стройка частоты таких усилителей связана с большими тех­ ническими трудностями.

J

Рис. 59

Рассмотрим далее КПУ с проходным резонатором. Схе­ ма включения однорезонаторного КПУ такого типа пред­ ставлена на рис. 59. Усиливаемый сигнал из антенны 1 по­ ступает в резонатор 3 через ферритовый вентиль 2\ сюда же поступает сигнал от генератора накачки 6.

Рис. 60

Усиленный сигнал из резонатора поступает как в выход­ ную цепь, так и обратно во входную. На входе он поглоща­ ется в ферритовом вентиле, а на выходе проходит через вен­ тиль 4 в приемник 5. Если убрать из входной цепи феррито­ вый вентиль, то произойдет самовозбуждение усилителя, так как усиленный сигнал попадает на вход усилителя. Таким образом, ферритовые вентили обеспечивают однонаправлен­

ное распространение сигнала.

Однорезонаторные КПУ проходного типа не имеют преи­ муществ перед отражательными усилителями. Оба типа КПУ узкополосны, поэтому применение находят многорезонатор­ ные конструкции. Схема такого КПУ представлена на рис. 60. Сигнал усиливается в каждом из резонаторов при его движении в прямом направлении и поглощается ферри­

125

товым вентилем при его движении в обратном направлении. Для расширения полосы частот многорезонаторного усили­ теля резонаторы несколько расстраиваются относительно центральной частоты, как в многорезонаторном клистроне. Многорезонаторный усилитель проходного типа больше по габаритам, чем усилитель отражательного типа со связан­ ными резонаторами.

Следует отметить, что резонаторы, применяемые в КПУ, должны быть двухчастотными, т. е. должны одновременно настраиваться на частоту сигнала и частоту накачки при обеспечении высокой добротности и независимой перестройки

Вход

Выход

сигнала

Рис. 61

на каждой из частот. Структура высокочастотных полей в резонаторе должна допускать такое размещение рабочего вещества в области максимального поля, при котором напря­ женность магнитных полей сигнала и накачки перпендику­ лярна к направлению постоянного магнитного поля.

Полоса пропускания КПУ ограничивается, главным обра­ зом, добротностью резонатора, так как ширина спектраль­

использования системы связанных резонаторов, полоса про­ пускания может быть расширена путем увеличения времени взаимодействия сигнала с возбужденным рабочим вещест­ вом. Этот метод применяется в КПУ бегущей волны, пред­ ставляющем собой периодическую или непрерывную замед­ ляющую структуру, вдоль которой распределено рабочее ве­ щество (рис. 61). Поясним кратко принцип работы такого усилителя. Любая передающая линия с потерями дает зату­ хание сигнала, которое тем больше на единицу длины, чем меньше групповая скорость волны. Если в линии поместить

126

рабочее вещество 1, в котором благодаря энергии накачки создано на частоте сигнала инверсное состояние, то она бу­ дет усиливать сигнал за счет вынужденного излучения. За­ медляющую структуру 2 КПУ можно уподобить такой пере­ дающей линии с отрицательным затуханием для прямой вол­ ны. Чтобы усилитель не возбуждался, в нем, как и в КПУ проходного типа, обратная волна должна поглощаться. Если не принять мер для снижения групповой скорости, то длина усилителя будет непомерно большой (кроме области наибо­ лее коротких волн), и он будет технически невыполним. По­ этому в КПУ с бегущей волной используют замедляющие си­ стемы с малой групповой скоростью. На рис. 62 схематично

Накачка

Вход

показано устройство КПУ с штыревой замедляющей систе­ мой. По одну сторону от штырей располагается рабочее вещество, обеспечивающее усиление прямой волны, по Другую сторону — феррит для поглощения обратной волны. Уси­ литель имеет вход энергии, возбуждающий первый штырь за­ медляющей системы, и выход энергии, соединенный с выхо­ дом замедляющей системы. Наиболее сильное магнитное по­ ле находится у основания штырей, поэтому там размеща­ ются рабочее вещество и феррит. Магнитные линии СВЧ поля у основания штырей близки к окружностям, в центре которых находится штырь. Поэтому направление высоко­ частотного поля для рабочего вещества и феррита перпенди­ кулярно к постоянному полю, которое направлено параллель­ но штырям. В то же время направление поляризации волны справа и слева от штырей противоположно. В связи с этим прямая волна усиливается рабочим веществом, но не по­ глощается ферритом, а обратная волна поглощается ферри­ том и не усиливается рабочим веществом. Корпус замедляю­ щей системы служит одновременно волноводом, по которому подается на рабочее вещество накачка. Это возможно пото­ му, что частота накачки значительно выше частоты сигнала.

127

КПУ с бегущей волной по сравнению с многорезонатор­ ными КПУ обладают более широкой полосой частот. Они легче перестраиваются, так как благодаря широкополосности их замедляющей системы для перестройки надо изменить только частоту рабочего перехода. Однако размеры замед­ ляющей системы больше размеров резонатора. Поэтому в об­ ласти более длинных волн (более 1 0 см) размеры усилителя с бегущей волной становятся слишком большими, что создает трудности с размещением их внутри криостата и магнитной системы. В этой области резонаторные КПУ могут оказаться предпочтительнее.

Г л а в а 16

Шумовые свойства КПУ. Насыщение КПУ. Применение КПУ

КПУ обладают наилучшими шумовыми свойствами из всех известных усилителей СВЧ. Шумы КПУ слагаются из шумов собственно усилителя (резонатора с рабочим вещест­ вом), шумов во входных и выходных цепях усилителя.

В отличие от электронных приборов, где основным источ­ ником шума является сам электронный пучок, интенсивность которого подвержена флюктуациям, в квантовых парамаг­ нитных усилителях нет аналогичного агента, который бы со­ здавал столь большие шумы. Основным источником шума в рабочем веществе усилителя является спонтанное излуче­ ние. Однако в диапазоне СВЧ оно мало. При достаточно большом коэффициенте усиления на единицу длины рабочего вещества определяющее значение имеет спонтанное излуче­ ние только со входной части кристалла, так как излучение с последующих частей будет уже мало по сравнению с уси­ ленным излучением входа. Поэтому шумовая температура, создаваемая спонтанным излучением, может быть даже меньше, чем температура рабочего вещества. В большинстве усилителей она колеблется от 1 до 5 К. Основной вклад в шумовые свойства КПУ дают потери в его входных цепях, включая ферритовый циркулятор. Если, температура входных цепей равна 290 К, то потери в 0 , 1 дБ дают приращение шумовой температуры усилителя на 7 К, что значительно пре­ вышает шум квантовой системы усилителя. Поэтому при кон­ струировании приемника с КПУ особенно тщательно отраба­ тывается весь входной тракт от антенны до кристалла уси­ лителя.

Полный шум КПУ с бегущей волной может быть доведен до 10 К; при этом шумы, обусловленный потерями во вход­

12 8

ных цепях, составляют около 6 — 8 К- Предельные значения шумовой температуры резонаторных КПУ с ферритовыми

КПУ, имеющие собственную шумовую температуру в 1— 2 К, по своим шумовым свойствам являются практически идеаль­

ными усилителями.

При увеличении мощности сигнала на входе КПУ насе­ ленность рабочего уровня начинает уменьшаться и усиление падает. Наступает н а с ы щ е н и е у с и л и т е л я , когда при увеличении входного сигнала выходная мощность не меня­ ется или даже падает. Если КПУ, находящийся в состоянии насыщения, выключить, то его свойства восстановятся толь­ ко через некоторое время, имеющее величину порядка вре­ мени спин-решеточной релаксации Т\ (для рубина около 0,1 с). Уменьшить время восстановления можно, только уменьшая Т\. Однако при этом увеличивается требуемая мощность накачки,'а с ней общий расход энергии и потреб­ ление жидкого гелия. Большое время восстановления не по­ зволяет использовать КПУ в системах ближней радиолока­ ции, так как КПУ насыщается зондирующим импульсом передатчика и не успевает восстановиться до прихода отра­

женного сигнала.

В связи с тем, что, наряду с хорошими шумовыми харак­ теристиками КПУ, им присущи такие недостатки, как узкополосность, большое времявосстановления, необходимость применения жидкого гелия, КПУ применяются только там,

в частности, планетная радиолокация. Время прихода отра­ женного сигнала здесь велико, и насыщение КПУ не играет роли, чувствительность же приемника играет решающую роль. Для целей локации можно использовать узкополосные

резонаторные КПУ.

КПУ применяются также для изучения радиоизлучения космических объектов. Так как шумовое излучение занимает широкий спектр, то здесь используются более широкополос­ ные КПУ с бегущей волной и многорезонаторные КПУ.

Применение КПУ целесообразно в устройствах дальней космической связи, которая осуществляется через спутники связи. Так как для передачи телевидения и другой информа­ ции нужна определенная полоса частот, то здесь также ис­ пользуются более широкополосные КПУ.