Файл: Капышев, В. И. Радиопередающие устройства сверхвысоких частот [учеб. пособие].pdf

136

Следует отметить, что при малой длительности импульса , получить высокий коэффициент, стабилизации трудно. Допустимая величина добротности нагружаемого, стабилизирующего резонатора слабило трона, работающего в импульсном режиме, может быть оценена из соотношения

Он < М2

Для повышения стабильности частоты стабилотрона необходимо принимать меры, ограничивающие изменения, фазы (угла L? ) при различных изменениях режима свабилотрона. Существенные изме­ нения частоты могут быть обусловлены кегерметичностыэ стабили­ зирующего резонатора, т .е . изменением собственной частоты последнего, связанного главным образом с непостоянством темпе­ ратуры. Это объясняется тем, чт.о стабилизирующий резонатор, как правило, имеет высокую добротность и; крутую фазочастотную характеристику. В случае применения негернетизированнога стабилизирующего резонатора на его собственную частоту может оказывать влияние изменение атмосферного давления и влажность воздуха.

Изменение тока вызывает электронное смещение фазы пяатинотрона, обусловленное изменением условий взаимодействия электрон ного потока с высокочастотным полем, приводящее к электронному смещению частота (ЭСЧ). Связь ЗСФ и ЭСЧ определяется соотноше­

Одной из основных причин, вызывающих нестабильность часто­ ты (так же как и в магнетронах), является затягивание частоты внешней нагрузкой (4.5) (4 .II) ,

К.п.д. стабилитрона ниже, чем у амплитроиа, и составляет 20-40$.

Рабочие и нагрузочные характеристики стабилитрона имеют одинаковый с магнетроном характер изменения.

,7-. Особенности импульсной модуляциистабчдотрона

Время установления колебаний СВЧ в стабилитроне оценивает­

ся соотношением

1 \ 2 Он

Величина времениустановления колебаний в стабилогроне опреде­ ляет требования к скоро.сти нарастания анодного напряжения.

К №менту возбуждения основного вида колебаний необходимо иметь такую скорость нарастания анодного напряжения, чтобы этот видколебаний успел возбудиться, с другой стороны, нужно быстро пройти область напряжений, где возбуждаются нежелатель­ ные низковольтные виды колебаний.

При невыполнении первого условия, т .е . при быстром нараста­ нии напряжения, не согласованного с временем установления ко­ лебаний в стабилизирующей системе, в стабилотроне возбуждается высоковольтный вид колебаний. Кроме того, величина напряжения возбуждения основноговида колебаний возрастает при увеличении рабочей частоты. Это обстоятельство требует, чтобы участок переднего фронта модулирующего импульса с малой крутизной имел достаточный динамический диапазон.

Для обьедижния этих противоречивых требований к скорости нарастания фонта импульса необходимо формировать передний фронт-модулирующего импульса с переменной крутизной: большой на начальном участке и малой к началу возбуждения стабилотрона.

Форма модул!фующего импульса, обеспечивающая возбуждение основного вида колебаний в диапазоне частотпри сохранении оп­ тимальной выходной мощности,изображена на ри с.4.18. Здесь же показано изменение тока в импульсе. Основной вид колебаний на­

участка i-tit определяется временем возбуждения стабидотрона на каинизшей частоте диапазона. Напряжение Ui соответствует ииэкочастотному краю диапазона, а Оц ~ высокочастотному» К моменту ts процесс установлении колебаний закаичивается.

Рнс.4,18. Форма модулирующего импульса н тока стабилитрона

В простейшем случае цепочка ^ ^ , подключенная параллельно нагрузке, при определенных значениях R и С позволяет получить передний фронт модулирующего импульса стабидотрона переменной крутизны.

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

1. Дробов С.А., Бычков С,И. Радиопередающие устройства. "Со­ ветское радио", 1963.

2.Основы'использования магнетронов. Под ред. Ю.Н. Хлопова. "Советское радио", 1967.

3.Бычков С.И., Буренин Н.И.,- Сафаров Р.Т. Стабилизация час­ тоты автогенераторов СВЧ. "Советское радио", 1969,

4. Минаев Ю . Стабильность фазы в широкополосном каскадном передающем устройстве СВЧ с внутриимпульсной частотной мо­ дуляцией. Материалы У1 НТК, посвященной Дню радио, Минск, 1968.

5. Верещагин Е.М. Модуляция в автогенераторах СВЧ. "Советское радио", 1972.

6.Минаев М.И. Многокаскадные передатчики сверхвысоких частот. МРТИ, 1972.

13?

Г Л А В А у

КВАНТОВЫЕ ПЕРЕДАТЧИКИ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА

I . Общие сведения о квантовых генераторах

В квантовых генераторах используется энергия, излучаемая микрочастицами вещества (атомами, молекулами, иона­ ми) при квантовых переходах с одного энергетического уровня на другой.

Квантовый переход и связанное с нам излучение может быть самопроизвольным (спонтанным) или индуцированным. Инду­ цированное излучение (его называют также вынужденным или стимулированным) возникает при взаимодействии фотонов или возбужденных частиц. Оно отличается от спонтанного тем, что его начальная фаэа, направление распространения и плос­ кость поляризации не являются случайными, а совпадают с соответствующими параметрами фотонов, вызвавших излучение. Поэтому, используя явление индуцированного излучения, мож­ но получить когерентные колебания. Спонтанное излучение является некогерентным. Использование индуцированного излу­ чения лежит в основе работы всех квантовых генераторов, а высокая когерентность колебаний является их особенностью.

В настоящее время известно несколько типов квантовых генераторов.

I . Лаверы с твердыми и жидкими рабочими веществами, В качестве активного вещества в них используются различ­ ные кристаллические вещества, например рубин, а также стекло с примесью редкоземельных элементов.

Ооновныы преимуществом стеклянного лазера является то, чтб стеклу может быть придана любая форма и активная среда может иметь размеры, требуемые для достижения наи­ большей эффективности прибора.

В качестве рабочего вещества используются также веко-

140

торые пластмассы и нидкости, Твердотельные и жидкостные лазеры могут работать в импульсном к непрерывном режимах. Твердотельные генераторы способны обеспечить генерирова­ ние сверхмощных импульсов когерентных световых колебаний.

2, В газовых лазерах в качестве активного вещества используются спесь инертных газов, аммиак, кислород, окись углерода и др. Эти генераторы такие могут работать в

импульсной и непрерывном ренинах, обеспечивают высокую мо­ нохроматичность колебаний. Мощность большинства газовых лазеров в непрерывном режиме не превышает нескольких милли­ ватт, но есть возможность увеличить ее на порядок. Газовые лазеры, работающие в импульсном режиме, имеют мощность вы­ ходного луча порядка нескольких десятков ватт.

3» Полупроводниковый квантовый генератор обладает вы­ сокой аффективностыо и малыми габаритами. В них электри­ ческая энергия постоянного тока непосредственно преобра­ зуется в когерентное световое излучение. Они йозволяВД осуществить модуляцию непосредственно в самом приборе путем изменения протекающего через лазер тока,

Перейдем к рассмотрению принципов работы квантовых генераторов. Как известно, любая, микрочастица имеет внутреннюю и внешнюю энергию. Внешняя, или кинетическая, анергия частицы W- зависит от скорости U , ее движения по отношению к выбранной нами системе координат. Эта энергия не квантована - она может принимать любое зна­ чение, При работе Генераторов, которые рассматривались в предыдущих главах (клистронные, магнетронные, ламповые и д р .), заряженные частицы (электроны) отдают высокочастот­ ному полю именно эту энергию.

Внутренняя энергия материальных частиц (молёкулы, атома, иона) зависит от ми структуры (расположения ато­ мов, образующих молекулу, взаимной ориентации магнитных моментов электронов и т .д ,) . Эта энергия квантована.

Она может принимать только вполне определенные значения, называемые энергетическими уровнями При изменении энергетического уровня излучается иди поглощается квант энергии. Частота этого колебания определяется выражением

,Ш.-)М

Дискретным значениям разности энергетических уров­ ней соответствуют дискретные и весьма стабильные значения частоты излучаемых колебаний. В обычных условиях вещество находится в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой. При атом распределение частиц по раз­

NH

т%ъШ,Ин - количество частиц, энергия которых соответствует верхнему, т .е . возбужденному, и нижнему уровням соответственно;

К - постоянная Больцмана;

/V

Рис. 5.1 Распределение частиц по энергети­ ческим уровням

и г

Выражение (5.2) показывает, что в обычных условиях количество возбужденных частиц меньше, чем невозбунден-

селенность" нижнего уровня, называют инверсией уровней. Фотоны, частота колебаний которых соответствует выражению (5 .1 ), могут взаимодействовать как с возбуж­ денными, так и невозбужденными частицами. При взаимо­

действии фотонайневозбужденной частицей фотон погло­ щается ею, и количество фотонов в пространстве взаимо­ действия уменьшается. Это явление называется резонанс­ ным поглощением.

При взаимодействии,фотона с возбужденной частицей последняя излучает фотон, и количество фотонов в пространстве взаимодействия возрастает. Это явление на­ зывается индуцированным (вынужденным) излучением. Для каждого квантового перехода имеется определенная постоян­ ная времени релаксации, т .е . время, в течение которого половина возбужденных частиц самопроизвольно (спонтан­ но) переходит на нижний уровень,

Иак указывалось тише, при спонтанном излучении возни­ кают некогерентные колебания, поскольку при каждом спонтанном переходе возникают фотоны, для которых все возможные значения начальной фазы, плоскости поляри­ зации и направления излучения равновероятны.

При индуцированном излучении на возбужденную части­ цу воздействует фотон, Б связи с этим резко возрастает' вероятность излучения с такой же начальной фазой, направлением распространения и плоскостью поляризации, какую имеет фотон, вызывавший излучение»

Фотон, вызывающий индицированное излучение, не поглощается и не изменяет своих параметров. Поэтому

\