Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 42
Текст из файла (страница 42)
Неотражающаянагрузка в плече циркулятора междуприемником и источником сигнала необходима для поглощения волны сигнала, отраженнойот приемника, если на его входе недостаточно хорошее согласование. Попадание сигнала изприемника в месте присоединения источника сигнала может привести к самовозбуждению КПУ.В проходном КПУ отсутствуют циркулятор и неотражающая нагрузка, так какиспользуется проходящая через резонатор волна.
Для получения волны одного направленияиспользуют вентили.Особенность резонатора КПУ состоит в том, что он должен возбуждаться на двух сильноотличающихся частотах — частоте сигнала νс, равной частоте рабочего квантового перехода νpaб(см. рис. 12.9), и частоте накачки νн.Наиболее простой расчет резонаторных КПУ основан на том, что выделение в результатевынужденных переходов энергии можно представить как отрицательное затухание, котороекомпенсирует собственные потери в резонаторе. Таким образом, если известен способопределения отрицательного затухания, то задача сводится к расчету электрических цепей.В отсутствие парамагнитного вещества объемный резонатор можно представить колебательнымконтуром с индуктивностью L0 и емкостью С0 и сопротивлением потерь в стенках R0 (рис.13.4). Пусть объем резонатора частично или полностью заполнен парамагнитнымвеществом.
Диэлектрические свойства вещества влияют на емкость резонатора, но будемсчитать, что дополнительная емкость учтена в величине С0. Магнитные свойства веществадолжны влиять на индуктивность, так как последняя характеризует способностьколебательной системы запасать магнитную энергию. Наличие парамагнитного веществаможно рассматривать как частичное или полное «погружение» индуктивности резонатора L0в магнитную среду.190Эквивалентная схема отражательного КПУ приведена на рис. 13.5.
Усиливаемый 1 иусиленный 2 сигналы в волноводной линии распространяются в противоположныхнаправлениях, так как усиленный сигнал можно рассматривать как волну, отраженную отрезонатора. Коэффициент усиления по напряжению определяется модулем коэффициентаотражения, а по мощности — квадратом модуля.В КПУ вследствие использования активной среды наблюдается регенеративный эффект,при котором с ростом коэффициента усиления должно происходить уменьшение активногосопротивления R контура, повышение добротности и уменьшение полосы пропускания.Частотная зависимость коэффициента усиления по мощности Ку(Р) и полоса пропусканияКПУ определяются зависимостью от частоты коэффициента отражения.
ОбычноКy ( P)⋅ ∆f КПУ = (50 − 300) МГцПолоса пропускания КПУ оказывается сравнительно узкой. Практически произведениеполосы пропускания КПУ на коэффициент усиления остается постоянным. Произведениеувеличивается, если применить дополнительные резонаторы или корректирующие элементы.Проходной резонаторный КПУ. Все рассуждения, приведенные для отражательныхрезонаторных КПУ, применимы и для проходного резонаторного КПУ. Расчетыпоказывают, что произведение коэффициента усиления на полосу в этом КПУ в два разаменьше, так как при равных коэффициентах связи резонатора с входной и выходнойлиниями в каждую линию уходит половина мощностиКПУ с бегущей волной (КУБВ).
КУБВ представляет собой усилитель распределенноготипа, в котором взаимодействие электромагнитного поля с активным веществом происходит впроцессе распространения волны по волноводной линии, заполненной активным веществом,или по замедляющей системе, вдоль которой распределено активное вещество. Схема КУБВ сзамедляющей системой показана на рис. 13.6. В результате воздействия поля накачкипарамагнитное вещество становится активным, и это эквивалентно введению в системуотрицательного сопротивления. По мере распространения сигнала по замедляющей системеего амплитуда непрерывно увеличивается за счет энергии, выделяемой при вынужденныхпереходах.В § 12.3 рассматривалось взаимодействие бегущей волны с активным веществом и былопоказано, что рост мощности сигнала происходит по экспоненциальному закону (12.50а):191P(z)=P(0)exp(æa (ν)z),где Р(0) и P ( z ) —мощность сигнала на входе и в точке с координатой z, а æа — показательусиления.
Коэффициент усиления при длине активного вещества z=l:Ky(P) = P(ℓ)/P(0)= exp(æaℓ),(13.5)а максимальный коэффициент усиления наблюдается на частоте сигнала, равнойцентральной частоте перехода ν0 , при которой коэффициент æа определяется по формуле(12.49):Ky(P)макс = exp[æa(ν0)ℓ](13.6)Коэффициент усиления зависит от разности населенности энергетических уровней, длинывещества и групповой скорости волны ψг. С уменьшением ψг усиление растет. Применениепериодических замедляющих систем позволяет уменьшить групповую скорость. В ЛБВ идругих электронных СВЧ-приборах с длительным взаимодействием требовалось замедлениефазовой скорости до величины, удовлетворяющей условию синхронизма. В КПУ нетусловия синхронизма, а необходимо получить возможно меньшую групповую скорость,чтобы увеличить время взаимодействия поля с активным веществом при выбранной длинеl.
Однако трудно получить коэффициент замедления групповой скорости более 100.Полоса пропускания КУБВ должна определяться частотной зависимостью величиныехр(æаl) в (13.5), где æа(ν)—функция частоты. Ширина полосы пропускания в КПУ сбегущей волной также зависит от коэффициента усиления, т. е. с ростом Kу(Р)макс полосауменьшается. Однако зависимость полосы от коэффициента усиления в КУБВ слабее. Приодинаковом коэффициенте усиления в КУБВ полоса может быть во много раз больше, чем врезонаторном КПУ. Это преимущество КУБВ практически исчезает в миллиметровомдиапазоне.
Расчеты показывают, что в этом случае полосы пропускания КУБВ имногорезонаторных КПУ сравнимы. Сделанные выводы справедливы только в режимебегущей волны. Для этого усилитель должен обладать невзаимным однонаправленнымусилением волны, идущей от входа к выходу. Отраженная от выхода волна должна бытьпоглощена, чтобы не произошло самовозбуждения.Шумы квантовых парамагнитных усилителей. Шумы квантовой системы обусловленыспонтанными переходами.
Спектральная плотность мощности спонтанного излучения притермодинамическом равновесии равна спектральной плотности излучения абсолютночерного тела, находящегося при температуре Т, определяется формулой Планка:Pс.п (ν ) =hνexp(hν kT ) − 1(13.7)При условииhν kT << 1(13.8)справедливом для низких частот и не очень низких абсолютных температур, выражение(13.7) можно привести к обычной широко используемой в диапазоне радиочастот формуле:hν kT << 1(13.9)Эта формула относится к полосе частот 1 Гц. Мощность шума в полосе ∆f, очевидно,равна192Pс.п (ν ) = P (ν )∆f = kT∆f(13.10)с.пИз формулы (13.10) следует, что шум, создаваемый квантовой системой без инверсиинаселенностей, можно представить как тепловой шум некоторого резистора сположительным сопротивлением R, находящемся при положительной температуре Т.Поэтому спектральная плотность шума равна квадрату шумового напряжения,определяемого формулойE 2ν = 4 RP (ν ) ≈ 4kTRс.п(13.11)Можно убедиться, что формула (13.11) справедлива и для активной среды, у которой Rотрицательно, а Т равна температуре перехода Тп, определяемой из формулы (12.52).Температура Тп при инверсии населенностей отрицательна.
Сопротивление Rпропорционально разности (N1—N2)<0. Произведение RT в (13.11) остается положительным ипропорциональным населенности N2,. определяющей число спонтанных переходов. Поэтомусчитается, что для расчета шумовых характеристик активной квантовой среды можноиспользовать обычные формулы, но только вместо положительной температуры средынеобходимо подставить отрицательную температуру квантового перехода, а вместосопротивления R — отрицательное сопротивление активной среды.В резонаторном КПУ шумы определяются двумя компонентами: спонтанным излучениемвещества и сопротивления потерь в резонаторе.
Расчеты показывают, что при условиианалогичном (13.8) и пренебрежении малыми потерями в резонаторе при низкойтемпературе получается равенство шумовой температуры абсолютному значениютемпературы перехода (12.52):Tш≈│Tп│(13.12)При достаточно сильной инверсии, когда в (12.52) N2 значительно больше -N 1 ,температура перехода меньше температуры вещества, а следовательно, и шумоваятемпература Тш может быть значительно меньше температуры вещества, например нижетемпературы жидкого гелия. Но формула (13.12) справедлива при hν/k⏐T п ⏐<<1. В случаеочень низких температур, когда ( h v / k ⏐T п ⏐) >>1, т.
е. почти все частицы находятся наверхнем уровне, дополнительное рассмотрение приводит к формулеTш≈ h v / k .(13.13)Это минимально возможное значение температуры шума в КПУ.Температуру шумов проходного КПУ вычисляют аналогично. Однако из-за особенностисхемы шумовая температура при максимальном коэффициенте усиления в два раза выше,чем в однорезонаторном КПУ с тем же объемным резонатором. В КПУ с бегущей волнойкроме спонтанного излучения вещества учитываются шумы, связанные с потерями взамедляющей системе.Независимо от типа КПУ температура шумов, связанных со спонтанным излучением,очень мала, порядка рабочей температуры парамагнитного вещества (жидкого гелия) и дажеменьше.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
