Квантовые приборы сверхвысокочастотного излучения (мазеры)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ (МАЗЕРЫ)



Содержание

1. Мазеры на молекулярных и атомных пучках

2. Мазеры с оптической накачкой, квантовые дискриминаторы и квантовые стандарты частоты

3. Теория и анализ работы квантовых усилителей

4. Конструкции и параметры квантовых парамагнитных усилителей

Литература



1. Мазеры на молекулярных и атомных пучках

Мазеры, применяемые в современной технике, можно разделить на две группы. Во-первых, это сверхмалошумящие парамагнитные усилители СВЧ и, во-вторых, это системы, используемые для создания квантовых стандартов частоты. Мы вначале рассмотрим последние.

Квантовые стандарты частоты (КСЧ) делятся на два класса:

КСЧ на основе квантовых дискриминаторов и КСЧ на основе квантовых генераторов - мазеров. Принцип работы последних на примере молекулярного генератора (МГ) на пучке активных молекул аммиака был рассмотрен в главе 3, а его схема была представлена на рис.3.1.

Сложный спектр обычного аммиака , дающего генерацию на частоте, заставил использовать изотопный аммиак, генерирующий более стабильно на частоте .

Конструктивными особенностями МГ, реализующими их устойчивую работу, являются следующие:

1) Для того чтобы пучок молекул попадал в сортирующую систему СС (рис.3.1) c небольшим углом расхождения, на выходе источника ИМ ставится коллиматор в виде крышки с несколькими узкими параллельными каналами, длина которых меньше длины свободного пробега молекулы (так, в реальной конструкции было 2500 каналов диаметров 0,05 мм и длиной 2 мм). При этом диафрагма Д (рис.3.1) не нужна.

2) Длина СС должна выбираться такой, чтобы все молекулы, находящиеся на нижнем уровне, успели уйти из СС. Эта длина L зависит и от диаграммы направленности коллиматора и от напряжения U между электродами конденсатора. Так, при U = 20 кВ, L= 10 см получалось, что поток активных молекул был равен

,

при начальной потоке на входе в СС ( - инверсная разность населенностей на входе в резонатор, S - площадь потока, - его скорость). Помимо квадрупольных и шестипольных конденсаторов, в качестве СС часто используется система изолированных колец, на которые попарно подается одинаковая разность потенциалов и внутри которых проходит пучок молекул.

3) В МГ обычно используется цилиндрический резонатор, работающий на типе колебаний когда поле направлено вдоль оси резонатора, а в его торцах имеются отверстия, через которые вдоль оси идет пучок молекул. При этом диаметр резонатора и его длина связаны с резонансной частотой и собственной добротностью соотношениями

; ,

Где

-

глубина проникновения поля в стенки, - скорость света, удельная проводимость материала стенки, - его абсолютная магнитная проницаемость.

Давление в резонаторе и во всей системе должно быть таким, чтобы молекулы не сталкивались, что обычно выполняется при давлениях, меньших . Кроме того, отработавшие молекулы должны своевременно удаляться, для чего ставят высоковакуумный и форвакуумный насосы с хорошей скоростью откачки и применяют вымораживающие ловушки.

Вывод энергии из резонатора выполняется в виде отверстия в боковой стенке, связанного с волноводом.

Для подбора необходимых размеров этого отверстия, соответствующих оптимальной, с точки зрения получения максимума выходной мощности степени связи

резонатора и волновода с волновой проводимостью , рассмотрим эквивалентную схему резонатора, связанного с линией передачи (рис.1), справедливую и для открытых резонаторов и для обычных резонаторов СВЧ. В ней m- коэффициент трансформации проводимости из линии передачи в контур.

Представим одномодовый мазер эквивалентной схемой параллельного колебательного контура (рис.1), где проводимости и определяется связью СВЧ - резонатора с полезной нагрузкой и потерями в этом резонаторе. Комплексная мощность, теряемая в проводимости , равна

Рис.1

(1)

Где

- амплитуда напряжения на контуре, а энергия, запасенная в активной среде резонатора, имеющей объем

, определяется по формуле

, (2)

где и - усредненные по объему число квантов в единице объема и квадрат напряженности электрического поля, - диэлектрическая проницаемость активной среды. Входящая в (2) величина называется коэффициентом использования резонатора и определяется из того условия, что во всем объеме резонатора запасенная энергия равна:

(3)

так что:

(4)

причем и определяются в объеме , не занятом активной средой, а усредненное по всему объему резонатора число квантов в единице объема. Так как из(2) следует,

, (5)

то, используя (1) и известное выражение (2.39), получим соотношение

(6)

где - емкость контура схемы рис.2; - скорость движения квантов, из которого с учетом выражения (2.108) для комплексной величины поперечного сечения взаимодействия среды и квантов получаем

, (7)

(знак "-" в левой части (6) связан с тем, что в (2.1) рассматривалась изученная мощность, а в (1) и (6) - поглощенная)

В (7) - добротность линии квантового перехода;

-

относительная отстройка от резонансной частоты этой линии

Так как условие стационарной генерации мазера для схемы рис.2 имеет более общий вид

(8)

то, используя (7) и учитывая, что

, (где )

получим выражение

(9) (где -

нагруженная добротность резонатора) определяющее круговую частоту стационарной генерации квантового генератора. Последнее, приближенное, равенство в (9) записано потому, что у МГ обычно Из (9) следует, что основные нестабильности частоты МГ связаны с изменением из-за разных причин (температурные нестабильности стенок, микровибрации и др.). Поэтому обычно резонаторы делают с термокомпенсацией (либо из суперинвара, либо с внешним термостатированием).

Так как из (3) следует, что относительная интенсивность поля в активной среде:

(10)

то из условия (8) с учетом общего выражения (3.8)

;

получается, что мощность в полезной нагрузке равна

; (11)

причем из условия следует, что оптимальная нагрузка

(12)

и оптимальная степень связи резонатора и волновода

, (13)

где - собственная добротность резонатора. При этом максимум полезной мощности:

(14)

а наибольшее возможное значение, имеющее место при с учетом (10),(11) и соотношений (3.8) для ,будет:

(15)

где - скорость дрейфа молекул.

Рис.2

Проведенное рассмотрение относится не только к МГ, но, как следует из главы 3, также и к химическим лазерам. Видно, что во всех этих случаях для увеличения необходимо увеличивать и уменьшать

В МГ, помимо молекул , могут использоваться молекулы типа асимметричного волчка, такие как формальдегид , синильная кислота и др.

Однако из-за сложной структуры инверсионных спектров длительная относительная нестабильность частоты МГ бывает больше, чем . Поэтому в квантовых стандартах частоты они не имеют широкого распространения, в отличие от генераторов на пучке атомов водорода (ВГ), в которых используется переход между линиями сверхтонкого расщепления. Зависимость зеемановских уровней этого расщепления от внешнего магнитного поля схематически показана на рис.2, где - полное магнитное ядерное квантовое число. Так как атом водорода имеет дипольный магнитный момент, то в СС используется магнитная мультипольная система, аналогичная мультипольному конденсатору, где вместо электродов стоят постоянные попарно разноименные магниты. Из рис.2 следует, что на вход резонатора будут поступать атомы, у которых . Рабочим переходом является переход , дающий генерацию на частоте .

Конструктивными особенностями, отличающими ВГ от МГ, являются следующие.

1. Так как при обычных температурах водород находится в молекулярном состоянии , то для получения атомарного водорода источник помещают между электродами от ВЧ - генератора мощность создающего ВЧ - разряд в источнике и диссоциацию молекул на атомы, причем для более эффективной диссоциации источник помещают также в постоянное магнитное поле, создаваемое катушкой с током. Для поступления извне в источник чистого водорода используют его свойство проникать через пластину палладия, которая используется как фильтр

2. В ВГ используется цилиндрический резонатор, работающий на типе колебания . При этом отсутствуют продольные составляющие тока на боковых стенках и радиальные составляющие на торцевых стенках (размеры резонатора ), что дает высокую добротность . Внутри резонатора находится сферическая накопительная колба () из кварцевого стекла с отверстием, в которое влетают и вылетают атомы . Стенки колбы покрыты материалом (парафин, тефлон), которые практически не взаимодействует с водородом вследствие чего атомы могут претерпевать до соударений со стенками пока вновь не вылетят из отверстия колбы. Давление в колбе составляет (10^-7 мм рт.ст.). Эта колба применяется в связи с тем, что магнитный дипольный момент используемого перехода, а следовательно, и поперечное сечение в формуле (7) на два порядка меньше, чем электрический дипольный момент молекул , поэтому необходимо для возникновения генерации во много раз увеличить число активных атомов. В данном случае это увеличение достигается за счет возрастания в колбе, но так как при этом из-за малогосущественно возрастет

(последнее равенство следует из соотношений (2.96);(2.97) и (2.108)) , то из выражения (15) видно, что этот рост не приведет к существенному уменьшению ; может достигать 1с, за счет чег

о .

Это и дает высокую стабильность частоты ВГ.

3. Так как в колбу влетают атомы, находящиеся в состояниях

(рабочие атомы) и , то для отделения линии постороннего, перехода

от линии рабочего перехода применяется слабое продольное постоянное магнитное поле (меньше ), которое, как это видно из рис.2, практически не действует на уровень и линейно изменяет энергию уровней . Кроме того, так как частота генерации существенно зависит от случайных внешних магнитных полей, вся система имеет хорошую противомагнитную экранировку. ВГ обеспечивает относительную стабильность частоты

в течение дня, причем номинальная частота равна .

2. Мазеры с оптической накачкой, квантовые дискриминаторы и квантовые стандарты частоты

Мазеры с оптической накачкой представляют собой обычную трехуровневую систему с внешней накачкой и с рабочим переходом в СВЧ - диапазоне. Практическое применение получил рубидиевый генератор (РГ), использующий переход в линии (, ) сверхтонкого расщепления на уровне .

Приближенная энергетическая диаграмма атома изотопа используемого РГ, показана на рис.3. Схема РГ дана на рис. 4, где Р - резонатор с прозрачным окном, наполненный парами и настроенный на частоту МГц рабочего перехода . РЛ - разрядная лампа, дающая кванты накачки и тоже наполненная парами , СФ - светофильтр, выделяющий из спектра излучения (и ) паров , находящихся в лампе, лишь линию , идущую на накачку , помещенного в Р. СФ представляет собой ячейку, наполненную парами Rb⁸⁵, которые имеют несколько иное энергетическое строение линий и , показанное на рис 5 вместе с аналогичными линиями Rb⁸⁷. Из рис.5 видно, что кванты, соответствующие переходу "а" в, () в РЛ, будут поглощаться линией перехода А () в , помещенном в СФ, а кванты перехода "в" будут свободно проходить через СФ и попадать в Р, давая накачку в парах . Из резонатора сигнал МГц генерируемый со стабильностью за 1 секунду поступает в линию передачи и в схему.

Рис.3

Рис.4

Рис.5

Однако чаще система, показанная на рис.4, используется для стабилизации СВЧ - колебаний в недовозбужденном режиме, т.е. в режиме дискриминатора (рис.6).При этом свет от РЛ (мкм ) за резонатором Р фиксируется фотодиодом ФД, а в Р поступают извне СВЧ - колебания частотой МГц, которые необходимо стабилизировать. Эти колебания промодулированы по фазе, низкой частотой (НЧ обычно 155 Гц) и освобождают уровень 1 за счет их поглощения, т.е. перехода в атомах .

Рис.6

При этом кванты света с мкм, входящие в Р от РЛ, плохо поглощаются в резонаторе Р, попадают на фотодиод ФД, который показывает максимум прохождения света. Если же частота внешних колебаний не равна 6835 МГц, то резонатор дает хорошее поглощение света атомами за счет перехода , так как на уровнях 1 много атомов. В результате на выходе ФД мы имеем резонансную линию перехода , показанную внизу на рис.6 в виде привоя . На выходе ФД НЧ - сигнал имеет разный вид в зависимости от средней частоты внешнего воздействия, в частности фаза модулирующего НЧ - сигнала будет разной в зависимости от того, с какой стороны от МГц расположена частота (рис.7) и насколько отличаются и . Подав этот НЧ - сигнал, 155ГГц и первоначальный, модулирующий частоту , основной сигнал (той же НЧ, 155 Гц ) на фазовый детектор, мы получим сигнал ошибки, зависящий от ), с помощью которого можно управлять частотой , стабилизируемого генератора, приближая её к МГц. Изложенное выше составляет основу фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) генератора.

Рис.7

Более полная схема стабилизации частоты с помощью квантового дискриминатора (КД ) показана на рис.8, где ГНЧ - генератор низкой частоты, СГ - стабилизируемый генератор, УЧ (ДЧ) - умножитель или делитель стабилизируемой частоты, СЧ - синтезатор частоты, который совместно со смесителем СМ и частотой, идущей от УЧ (при ДЧ), создает частоту , промодулированную НЧ и поступающую в резонатор КД, У-усилитель НЧ, дающий.сигнал на фазовый детектор ФД, от которого поступает управляющее напряжение на СГ, создающее стабилизацию его частоты . СЧ представляет, собой сложную последовательность умножителей, делителей, и преобразователей частоты, на выходе которой совместно с УЧ (или ДЧ) и СМ должна появиться частота (в случае РГ МГц), причем часто УЧ (ДЧ) и СМ входят в состав СЧ.

Рис.8

С 1967 года международное определение единицы времени секунды дается через частоту перехода () в линиях сверхтонкого расщепления уровней в атомах цезия , используемых в другом типе квантовых дискриминаторов, основанном на взаимодействии пучка отсортированных атомов с СВЧ - полем частоты , близкой к частоте Гц упомянутого перехода. Энергетическая диаграмма уровней сверхтонкого расщепления основного состояния атома в магнитном поле, показана, на рис.9, а схема атомно-лучевой трубки дана на рис.10, где ИА--источник пучка атомов СС - сортирующее системы (обычно неоднородные магнитные поля), P-П--образный СВЧ--резонатор, настроенный на частоту , в который поступает внешний сигнал частотой , И - ионизатор, Д - приемник ионов (дискриминатор).

Рис.9

Рис.10

Из рис.9 видно, что атомы , имеющие , попадая в сильное поле первой СС, перемещаются а область малых полей H и поступает в Р (как и в случае атомов водорода в ВГ), а атомы, у которых (а также ), отклоняется в область сильных полей (пунктир на рис.10) и минуют резонатор. В области резонатора существует слабое поперечное неоднородное магнитное поле С.

Из рис.9 следует, что это поле даст отклонение в ту или иную сторону, всем атомам, у которых , поскольку уровень слабо зависит от H, так что в конечном итоге в резонаторе остаются лишь атомы, имеющие которые после взаимодействия с СВЧ--полем резонатора оказываются ив уровне , и отклоняются второй СС в сторону больших полей, где на их пути помещены И и Д. Ионизатор И представляет собой накаленную пластину тугоплавкого металла (платина, тантал, вольфрам и др.), имеющего большую работу выхода . Попадая на ее поверхность, атом (имеющий малый потенциал ионизации) ионизуется с вероятностью (у ) тем большей, чем больше (). Положительные ионы , попадая на отрицательно заряженный Д, создают в его цепи ионный ток за счет того, что забирают на поверхности Д электроны и становятся вновь нейтральными атомами. В остальном дискриминатор на атомах работает так же, как и рубидиевый дискриминатор (рис.6, 7), причем сигнал на выходе Д (рис.10) соответствует сигналу на выходе ФД (рис.6, 7). П-образный резонатор Р используется для того, чтобы продлить время взаимодействия атомов и СВЧ--поля, так как определяющая сигнал на выходе Д добротность линии излучения равна , что дает высокую долговременную стабильность частоты .

Структурная схема КСЧ на основе квантовых генераторов КГ приведена на рис.11, где остальные обозначения такие же, как и на рис.8. Синтезатор частоты (СЧ) из частоты создает такую же промежуточную частоту в случае использования УЧ (или )- в случае ДЧ), как и частота, которая получается в смесителе (СМ) из и (или ), причем эта частота на выходе СМ усиливается в УПЧ и поступает в фазовый детектор ФД вместе с частотой, полученной в СЧ. С ФД сигнал ошибки поступает на управление частотой генерации СГ, создавая стабилизацию.

Рис.11

3. Теория и анализ работы квантовых усилителей

Как следует из материала глав 1 и 3, квантовые парамагнитные усилители (КПУ) используют в своей работе трехуровневые парамагнитные кристаллы, т.е. должны находится в постоянном магнитном поле подмагничивания и при сверхнизкой температуре (4, 2° К). Для того чтобы КПУ мог иметь инверсную населенность уровней сигнального перехода (3 2 или 1 2), необходимо создать накачку 1 3 от внешнего источника частоты ??. В общем случае может быть три типа КПУ, схематически показанных на рис.12: резонаторный проходной КПУ (рис.12, а); резонаторный КПУ, работающий на отражение (рис.12, б); КПУ - усилитель бегущей волны (КПУ БВ) (рис.12, а), где вместо резонатора используется УБВ, причем в общем случае резонаторные КПУ могут быть однорезонаторными и многорезонаторными.

а) б)

Рис.12

Мы ограничимся рассмотрением теории однорезонаторных КПУ, причем эта теория, ввиду ее общности будет описывать поведение вообще всех соответствующих одномодовых квантовых усилителей (КУ) любого диапазона частот, работающих в непрерывном режиме. Эквивалентная схема проходного резонансного усилителя, рассмотренная на частоте сигнала ( или ), имеет вид, показанный на рис.13, где и - коэффициенты трансформации проводимости из линии передачи, имеющей волновую проводимость , в контур эквивалентной схемы резонатора. - проводимость, вносимая активной средой и определяемая из (7). Мы будем полагать, что вход источника сигнала и выход КПУ согласованы и поэтому входная и выходная линии нагружены на . Если и - падающая на входе и усиленная на выходе мощности сигнала, то коэффициент усиления по мощности

, (16)

Рис.13

Где

, (17)

причем - суммарная мощность, поглощенная в усилителе и в выходном тракте, т.е. правее зажимов аб схемы; - проводимость расположенная правее этих зажимов; - коэффициент отражения по мощности в сечении аб. Используя соотношения (7) и (10), получим:

(18)

Будем рассматривать малосигнальный вариант, когда

Учитывая, что

, (19)

можно после введения обозначений

(20)

из (17) получить

(21)

где - внешняя добротность резонатора по входу;

- нагруженная добротность резонатора;

- малосигнальная степень возбуждения КПУ.

Учитывая, что выходная мощность и что

(22)

причем - внешняя добротность резонатора по выходу, окончательно из (16), (17), (18), (21), (22) получим

. (23)

При максимальный коэффициент усиления

(24)

где - степени связи резонатора со входом и выходом, - собственная добротность резонатора.

При заданных и максимум реализуется при , а для заданных _?и - при . Видно, что тем больше, чем ближе ?к единице. При ? система возбуждается. На рис.14, а и б представлены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) проходного квантового усилителя , построенные для =0,8, n=0,5 и n=5 при различных значениях параметра взаимной расстройки резонатора и линии по формуле (23). Подставив в эту формулу и , можно для относительной полосы усиления получить общее выражение:

, (25)

Где

,

причем в в частном случае , (который обычно реализуется в дециметровом диапазоне длин волн) с учетом того, что

из (23), можно получить

, (26)

Противоположный частный случай , который может иметь место на более высоких частотах, дает:

, (27)

Величина

называется площадью усиления. Видно, что во втором случае она значительно меньше, чем в первом. Таким образом, полоса усиления

, что имеет место во всех вообще регенеративных усилителях, причем полоса определяется большей из двух добротностей ( или ).

Для того чтобы определить зависимость усиления от мощности входного сигнала, т.е. оценить нелинейные свойства КУ, необходимо в соотношении (23) сделать следующую из (7), (10), (18), с учетом того, что , замену на , где

(28)

При этом соотношение (23) превращается в кубическое уравнение относительно , решение которого позволяет установить зависимости от ? при различных , , , .

Рассмотрим параметр, характеризующий эту зависимость при , . Таким параметром, называемым динамическим диапазоном усилителя, является входная мощность ???при которой коэффициент усиления уменьшается в два раза по сравнению со случаем бесконечно малого сигнала:

.

Подставив в это равенство соотношение для из (24), где вместо должно стоять , взятое из (28), а также соотношение для , взятое из (24), можно получить

(29)

(причем последняя, приближенная запись справедлива для обычно выполняемого условия ), откуда с учетом (10) и (24), а также замены , следует выражение

(30)

показывающее, что тем меньше, чем ближе к порогу возбуждения КУ () и чем больше . Эта закономерность справедлива для всех регенеративных усилителей.

Эквивалентную схему КУ, работающего на отражение (рис.12,б) можно получить из схемы рис.13, положив в ней

,

причем коэффициент усиления

такой схемы легко получить из (22) с учетом (21) и указанных выше замен в виде:

, (31)

Так как в данном случае , то

, (32)

где - степень связи резонатора и линии передачи. Поэтому из (31) получается выражение для коэффициента усиления, при

, (33)

из которого следует, что лишь при достаточно сильной связи, когда .

а) б)

Рис.14

Рис.15

График зависимости показан на рис.15 и отражает закономерность, общую для всех регенеративных усилителей, работающих на отражение. Из (31) следует, что при коэффициент , в отличие от предыдущего случая, когда при коэффициент (рис.14). Кроме того, из рис.15 и (33) следует, что при графики зависимости , при , близких к нулю, будут иметь не максимумы (как на рис.14), а минимумы. В противном случае (при сильной связи) ход этих кривых вблизи малых будет такой же, как и на рис.14, т.е. при будут иметь место уменьшения (по сравнению со случаем ) и несимметрия кривых относительно вертикальной линии, проведенной через их максимум. Полагая в (31) ; ; , можно получить выражение

, (34)

аналогичное формуле (24), и поэтому, проведя на основе (31) расчеты, аналогичные предыдущему случаю, можно для получить выражение (30), в котором , следует заменить на . Точно также можно убедиться, что на основе (31) при n >>1 получаются для полосы и площади усиления формулы (26), а при n << 1 - формулы (27).

Для построения теории квантовых усилителей бегущей волны (КУБВ) будем полагать, что в центре рис.12 а расположена линия передачи (для мазеров это обычно замедляющая система), согласованная на входе и выходе и имеющая активную среду, в которой за счет внешней накачки создана одинаковая инверсность населенности () уровней сигнального перехода. Тогда учитывая, что интенсивность бегущей волны и что определяется общей формулой (3.9) можно на основе выражения (7.39) главы 7 получить уравнение

(35)

(в котором - коэффициент потерь поля в используемой линии передачи), определяющее зависимость интенсивности поля волны вдоль длины КУБВ. В малосигнальном приближении решение уравнения (35) дает выражение для коэффициента усиления длины :

, (36)

(где при , или в децибелах:

, (37)

причем максимальное усиление, реализуемое при , равно

. (38)

Полоса КУБВ определяется расстройкой , при которой , откуда, используя (35), (37) и (38), можно получить

, (39)

причем площадь усиления

, (40)

где последнее равенство в (40) справедливо при?.

Видно, что полоса усиления КУБВ определяется в основном добротностью линии сигнального перехода . В квантовых парамагнитных (мазерах) УБВ можно уменьшить и тем самым увеличить в 1,5-2 раза путем создания неоднородного магнитного поля в системе. Значительно большего увеличения можно достичь путем создания переменного по длине системы поля подмагничивания, так чтобы разные участки УБВ усиливали сигналы разных частот. Но при этом, очевидно, необходимо подавать на разные участки системы накачку разными частотами и увеличить длину системы.

Если входной сигнал (при ) не мал, то уравнение (35) можно привести к виду

(41)

и получить решение

(42)

которое при малых потерях в линии и небольшом сигнале, когда , используя разложение , справедливое при , можно представить с учетом (36) в форме

. (43)

Учитывая, что -- коэффициент усиления, и полагая, что из-за малых потерь можно, взяв из (43), получить общее выражение

, (44)

определяющее динамический диапазон КУБВ. Последняя запись в (44) справедлива при . В этом же приближении соотношение (43) можно представить в виде

, (45)

который достаточно просто описывает нелинейный эффект насыщения КУБВ, т.е. уменьшение с ростом и . Более строго этот эффект определяется соотношениями (42) и (43).

Очевидно, что для определения всех указанных выше параметров и характеристик у конкретных парамагнитных мазеров, необходимо вместо и , входящих в соотношения (10), (18), (30), (35), (41)-(45), представить их значения (или их аналоги), взятые из главы 3. Если же с помощью полученных в данном разделе соотношений нужно проанализировать поведение КУ других типов, то значение параметров и для этих типов КУ можно найти в главах 3, 8 и 9.

Рассмотрим шумовые свойства квантовых усилителей. Известно, что коэффициент шума определяется как отношение мощности шума на выходе реального усилителя () к мощности шума идеального, не шумящего усилителя . Шумовую схему резонаторного усилителя (рис.13), работающего на проход в соответствии с теоремой Найквиста, на резонансной частоте () можно представить в виде схемы, показанной на рис.16, где определяет шумовой ток активной среды КУ, т.е. отрицательный проводимости (), а остальные генераторы тока определяют шумы проводимостей и .

Так как квадрат суммарного тока шума () на проводимости нагрузки дает квадрат шумового тока, определяемый равенством

(46)

Рис. 16

Где

,

а аналогичный квадрат шумового тока входной цепи на проводимости будет

,

и так как мощности

,

то учтя, что

,

получим в соответствии с формулой Найквиста коэффициент шума

(47)

где ?? постоянная Больцмана;? полоса частот; - температура входного устройства (обычно антенны ); ??температура стенок резонатора (для мазеров обычно ); ? отрицательная температура активной среды, определить которую можно, воспользовавшись законом Больцмана. Для трехуровневой системы с рабочим переходом населенности и определяются соотношением

, (48)

так что, в соответствии с формулами (2.15), (2.96) и (2.97), (3.56), (3.57), получим:

(49)

Оценим величину , полагая и считая, что , при этом для мазера при случае температура , причем из (49) видно, что с ростом падает . Для лазеров, у которых будет примерно в 10⁴ раз больше, чем у мазеров, возрастет в соответствующее число раз. Эффективная шумовая температура резонаторного КУ, работающего на проход, как следует из (47), равна

(50)

Из приведенных цифр видно, что для мазеров имеет порядок нескольких кельвинов (обычно не больше десяти). Это самая низкая шумовая температура среди всех известных типов усилителей. Для КУ, работающего на отражение, формулы (47) и (50) будут тоже справедливы при условии замены на .

Для рассмотрения коэффициента шума КУБВ представим себе линию передачи, нагруженную с обеих сторон на волновую проводимость . В этой линии из-за собственных шумов будут существовать две равные, неизменные по длине и противоположно направленные волны шума с мощностью . Если линия обладает коэффициентом затухания поля, равным , то на участке линии волна шума должна уменьшиться на . Но так как волна неизменна по длине, то это возможно, если на генерируется дополнительно шум мощностью , так что на единице длины линии генерируется мощность , где в соответствии с теоремой Найквиста - мощность в согласованной нагрузке в полосе частот , причем - температура в линии. Если на входе КУБВ, где , мощность шума ( - температура входа (антенны), обычно равная ), то, используя выражение (35), для случая получим:

(51)

где в соответствии со сказанным выше и - шумы, генерируемые на единице длины линий в стенках КУБВ и в активной среде:

(52)

Интегрируя (51) при начальном условии , , получим на выходе КУБВ длины :

(53)

В случае же идеального КУБВ, когда

,

, (54)

так что, полагая , получим

, (55)

Причем

, (56)

где определяется из соотношения (35). Очевидно, что для КУБВ (мазеров) величина будет того же порядка, что и для резонаторных мазеров.

4. Конструкции и параметры квантовых парамагнитных усилителей

Основной частью резонаторных КПУ является резонатор, настроенный на две резонансные частоты - частоту накачки и частоту сигнала ( или ). Конструкция резонатора зависит от того диапазона частот, в котором работает КПУ. Так, например, в метровом и дециметровом диапазонах длин волн возможно даже применить контур частоты сигнала, состоящий из индуктивности с активной средой и емкости, помещенный внутри объемного резонатора, настроенного на частоту накачки.

а) б)

Рис. 17

На более коротких волнах сигнальным резонатором может служить полосковый резонатор, работающий на волне ТЕМ. Конструкция такого отражательного КПУ, схематически показана на рис.17,а, где П - поршень настройки волноводного, резонатора на частоту накачки ( - длина волны на этой частоте), - частота сигнала (- длина волны сигнала в полосковой линии, которая разомкнута на конце и имеет длину ). В этой конструкции может также применяться устройство настройки сигнального резонатора (либо диэлектрический поршень на конце полоски, либо вариация ее длины), а также в случае проходного КПУ вторая сигнальная коаксиальная линия, помещенная симметрично первой слева от волновода. На сантиметровых и миллиметровых волнах окончательно настроенная конструкция представляет собой металлизированный прямоугольный кристалл с отверстиями связи в металле с волноводом накачки () и с волноводом сигнала (), помещенный в волноводе сигнала в конце этих волноводов.

На рис.17.б, показана конструкция такого отражательного КПУ, причем ССС - показанные пунктиром и отдельно сапфировые согласующие секции, а металлизированный кристалл и отверстия связи также показаны пунктиром. Многорезонаторную конструкцию КПУ можно получить, помещая в волновод сигнала несколько таких металлизированных прямоугольных кристаллов с соответствующим образом подобранными отверстиями связи между собой и с волноводами сигнала и накачки. Такие многорезонаторные КПУ можно перестраивать по частоте в пределах нескольких процентов, а также расширять полосу усиления, меняя у отдельных резонаторов внешнее поле подмагничивания и частоту накачки. КПУБВ сантиметрового диапазона длин волн, эскиз конструкции которого показан на рис.18, обычно представляет собой штыревую замедляющую систему, по обеим сторонам (или с одной стороны) которой размещен парамагнитный кристалл (ПК) и феррорезонансный вентиль (ФВ) на диэлектрической подложке П. Сигнал вводится в замедляющую систему и выводится из нее с помощью коаксиальных линий и концевых согласующих штырей (СШ). Накачка () идет на волне по прямоугольному волноводу замедляющей системы. Поле подмагничивания (Н₀) должно быть перпендикулярно магнитному полю СВЧ (и по сигналу и по накачке).

Кроме штыревых замедляющих систем нашли применение встречно-штыревые, а также изитронные структуры (рис.18,б), когда штыри замыкаются на узких сторонах волноводов, причем последние могут иметь сложную форму поперечного сечения. Кроме таких структур в КПУБВ нашли применение меандровые линии (МЛ, рис.19,а), а также двойные, меандровые линии, расположенные с двух сторон ПК, дающие замедление сигнальной частоте и работающие на волне, близкой к ТЕМ.

а) б)

Рис 18

Применение замедляющих систем позволяет сконцентрировать электромагнитную энергию на менее протяженном участке передающей линии и сократить продольные размеры КПУБВ. На миллиметровых волнах, где из-за малых размеров волноводов осуществить замедление сложно, применяются волноводы с ПК и ФВ без замедляющих структур (рис.19,б), когда и сигнал () и накачка () распространяются по волноводу КПУБВ.

а) б)

Рис 19

Парамагнитные кристаллы, применяемые в КПУ в качестве активного вещества, должны удовлетворять следующим требованиям:

в магнитном поле должно возникать не менее трех уровней зеемановского расщепления, допускающего усиление сигналов нужной частоты с использованием имеющихся генераторов накачки ;

матричные элементы, (а значит и, поперечные сечения и вероятности вынужденного излучения на переходах сигнала и накачки)

должны быть достаточно велики;

время спин-решеточной релаксации должно быть в пределах , так как при больших уменьшается динамический диапазон усилителя, а при малых потребуется слишком большая мощность накачки;

при использовании в качестве сигнального перехода должно хорошо выполняться условие , а в случае сигнального перехода - условие ; молекулярный пучок оптический мазер

резонансные линии используемых переходов не должны иметь сверхтонкой структуры и должны быть хорошо разрешены (обычно МГц) концентрация парамагнитных ионов (0,02 - 0,1%) выбирается с учетом этого обстоятельства;

кристаллы должны иметь несложную технологию изготовления и хорошие механические, диэлектрические и тепловые свойства.

Перечисленным требованиям хорошо удовлетворяют парамагнитные ионы трехвалентных хрома () и железа (), помещенные в кристаллы (в матрицу) корунда () и рутила (), причем корунд с примесными атомами называется рубином, с атомами - сапфиром, а чистый корунд часто называют лейкосапфиром. В упомянутые ионы изоморфно замещают четырехвалентный ион , а в - трехвалентный ион . Кроме этих парамагнитных кристаллов для построения мазеров могут использоваться матрица вольфрамата цинка () с примесью ионов . Все эти парамагнитные кристаллы изготавливаются обычными способами получения примесных полупроводниковых структур и затем в них оптическими или рентгенометрическими методами определяются направления кристаллографических осей, так как в КПУ эти оси должны быть строго ориентированы относительно полей СВЧ и внешнего поля подмагничивания . Последнее может создаваться либо постоянным магнитом, либо электромагнитом и, как это следует из формул (1.41), должно достигать 2000-13000 эрстед. Вся установка имеет при этом вес до 100 кг, причем такие магниты дают температурную нестабильность, приводящую к нестабильности усиления. Поэтому в наши дни используются электромагниты со сверхпроводящими обмотками, которые легко объединяются с кристаллом КПУ, поскольку оба эти элемента мазера работают при температуре 4,2 К. Это в два раза сокращает вес магнитов и повышает их стабильность. Для создания сверхнизкой температуры в лабораторных условиях используется двойной сосуд Дюара с жидким азотом в наружной его части и с жидким гелием (температура кипения 4,2 К) во внутренней части, куда помещают КПУ, причем все это располагается между полюсами магнита. В полевых условиях обычно используются не заливные сосуды Дюара, а стационарные криогенные установки с системами охлаждения замкнутого цикла. Работа этих систем, основана на эффекте охлаждения газа при его адиабатическом (т.е. быстром) расширении. После расширения охлажденный газ поступает в рабочую часть системы, где находится КПУ и сверхпроводящие обмотки магнита и где газ нагревается, после чего он изотермически медленно сжимается компрессором, затем поступает в участок расширения, где вновь охлаждается и т.д. Обычно в одной установке таких замкнутых, охлаждающих одна другую систем бывает несколько, причем в каждой установке используется как система с азотом, так и охлаждаемая ею система с гелием. При этом каждая замкнутая система может использовать либо процесс расширения Линде, при котором газ через маленькое сопло поступает в большой разреженный объем, либо процесс расширения осуществляется в специальной поршневой машине-детандере. Современные стационарные криогенные установки имеют вес до 20 кг и объем порядка .

В таблице приведены параметры некоторых современных КПУ, работающих при температуре 4,2 К, причем - диапазон электронной перестройки, - полоса усиления.

В УБВ №3-6 в качестве ферритового вентиля использовался железоиттриевый гранат.

№	Тип КПУ	с ГГц	с ГГц	пер ГГц	13 ГГц	ky ДБ	Активное вещество	Тип магнита	Примечание
1	Однорезонаторный	9,4	-	-	24	Ky(с)= 0,1ГГц	Рубин 0,05%Cr3+	постоянный, 4 кгс	Мощность накачки 3-30 МВт
2	Три связанных активных резонатора	1	0,009	-	-	18	Рубин	сверхпроводящая обмотка	На этих с УБВ получаются громоздкими
3	УБВ на меандровой линии	2-3	0,025- 0,040	1	53	25-40	Рутил 0,03%Cr3+	сверхпроводящий	Последовательная ступенчатая расстройка Н0
4	УБВ на двухсторонней меандровой линии	6	0,014	0,8	60	28	Рутил 0,035%Fe3+	сверхпроводящий 2,3 кгс	Тш=10 К Длина КПУ 10 см
5	УБВ на гребенчатой замедляющей системе	36,6	0,020	1	75	25	Рубин 0,05%Cr3+	сверхпроводящий 13 кгс	Потери в ЗС 10 дБТш=40 К
6	УБВ на волноводе	70	0,01	-	120	20	Рутил с Fe3+	сверхпроводящий13 кгс	Длина КПУ 3,8 см



Литература

Корис, Р. Справочник инженера-схемотехника / Р. Корис, Х. Шмидт-Вальтер. - М. : Техносфера, 2006. - 608 с. : ил.

Кузовкин, В. А, Электроника. Электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства / В. А. Кузовкин. - М. : Логос, 2005. - 328 с. : ил.

Першин, В. Т. Основы радиоэлектроники и схемотехники / В. Т.

Першин. - Ростов н/Д: Феникс, 2006. - 544 с. : ил. Павлов, В. Н Схемотехника аналоговых электронных устройств / В. Н. Павлов. - М. : Академия, 2008. - 288 с. :

ил.

Лоторейчук, Е.А. Теоретические основы электротехники.: Учебник / Е.А. Лоторейчук. - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 320 c.

Лоторейчук, Е.А. Теоретические основы электротехники.: Учебник / Е.А. Лоторейчук. - М.: ИД ФОРУМ, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 320 c.

Прянишников, В.А. Теоретические основы электротехники: Курс лекций / В.А. Прянишников. - СПб.: КОРОНА-принт, 2012. - 368 c.

Ярочкина, Г.В. Основы электротехники: Учебное пособие для учреждений нач. проф. образования / Г.В. Ярочкина. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 240 c.

Размещено на Allbest.ru