Реферат - Квантовые парамагнитные усилители

Подождите немного. Документ загружается.

Коэффициент усиления зависит от разности населенности

энергетических уровней, длины вещества и групповой скорости волны ψ

. С

уменьшением ψ

усиление растет. Применение периодических замедляющих

систем позволяет уменьшить групповую скорость. В ЛБВ и других

электронных СВЧ-приборах с длительным взаимодействием требовалось

замедление фазовой скорости до величины, удовлетворяющей условию

синхронизма. В КПУ нет условия синхронизма, а необходимо получить

возможно меньшую групповую скорость, чтобы увеличить время

взаимодействия поля с активным веществом при выбранной длине



Однако трудно получить коэффициент замедления групповой скорости более

100.

Полоса пропускания КУБВ должна определяться частотной

зависимостью величины ехр(



), где

(ν)—функция частоты. Ширина полосы

пропускания в КПУ с бегущей волной также зависит от коэффициента

усиления, т. е. с ростом K

у(Р)макс

полоса уменьшается. Однако зависимость

полосы от коэффициента усиления в КУБВ слабее. При одинаковом

коэффициенте усиления в КУБВ полоса может быть во много раз больше,

чем в резонаторном КПУ. Это преимущество КУБВ практически исчезает в

миллиметровом диапазоне. Расчеты показывают, что в этом случае полосы

пропускания КУБВ и многорезонаторных КПУ сравнимы. Сделанные

выводы справедливы только в режиме бегущей волны. Для этого усилитель

должен обладать невзаимным однонаправленным усилением волны, идущей

от входа к выходу. Отраженная от выхода волна должна быть поглощена,

чтобы не произошло самовозбуждения.

Шумы квантовых парамагнитных усилителей. Шумы квантовой системы

обусловлены спонтанными переходами. Спектральная плотность мощности

спонтанного излучения при термодинамическом равновесии равна

спектральной плотности излучения абсолютно черного тела, находящегося

при температуре Т, определяется формулой Планка:

 

1/exp





kTh

ПС



(12)

При условии

hν kT << 1 (13)

справедливом для низких частот и не очень низких абсолютных температур,

выражение (12) можно привести к обычной широко используемой в

диапазоне радиочастот формуле:

hν kT << 1 (14)

Эта формула относится к полосе частот 1 Гц. Мощность шума в

полосе Δf, очевидно, равна

Pс.п (ν ) = Pс.п (ν )Δf = kTΔf (15)

Из формулы (15) следует, что шум, создаваемый квантовой системой

без инверсии населенностей, можно представить как тепловой шум

некоторого резистора с положительным сопротивлением R, находящемся при

положительной температуре Т.

Поэтому спектральная плотность шума равна квадрату шумового

напряжения, определяемого формулой:

ν = 4RPс.п (ν ) ≈ 4kTR (16)

Можно убедиться, что эта формула справедлива и для активной

среды, у которой R отрицательно, а Т равна температуре перехода Тп.

Температура Тп при инверсии населенностей отрицательна. Сопротивление

R пропорционально разности (N

—N

)<0. Произведение RT в (16) остается

положительным и пропорциональным населенности N

, определяющей число

спонтанных переходов. Поэтому считается, что для расчета шумовых

характеристик активной квантовой среды можно использовать обычные

формулы, но только вместо положительной температуры среды необходимо

подставить отрицательную температуру квантового перехода, а вместо

сопротивления R — отрицательное сопротивление активной среды.

В резонаторном КПУ шумы определяются двумя компонентами:

спонтанным излучением вещества и сопротивления потерь в резонаторе.

Расчеты показывают, что при условии аналогичном (16) и пренебрежении

малыми потерями в резонаторе при низкой температуре получается

равенство шумовой температуры абсолютному значению температуры

перехода:

Tш≈│Tп│ (17)

При достаточно сильной инверсии, когда N

значительно больше -N

температура перехода меньше температуры вещества, а следовательно, и

шумовая температура Т

может быть значительно меньше температуры

вещества, например ниже температуры жидкого гелия. Но формула (17)

справедлива при

Tkh /



<<1. В случае очень низких температур, когда

Tkh /



>>1, т. е. почти все частицы находятся на верхнем уровне,

дополнительное рассмотрение приводит к формуле:

Tш≈ h v / k

(18)

Это минимально возможное значение температуры шума в

КПУ.

Температуру шумов проходного КПУ вычисляют аналогично. Однако

из-за особенности схемы шумовая температура при максимальном

коэффициенте усиления в два раза выше, чем в однорезонаторном КПУ с тем

же объемным резонатором. В КПУ с бегущей волной, кроме спонтанного

излучения вещества учитываются шумы, связанные с потерями в

замедляющей системе.

Независимо от типа КПУ температура шумов, связанных со

спонтанным излучением, очень мала, порядка рабочей температуры

парамагнитного вещества (жидкого гелия) и даже меньше. Низкий уровень

этих шумов объясняется тем, что вероятность спонтанных переходов,

зависящая от куба частоты, в радиодиапазоне по сравнению с оптическим

диапазоном незначительна. В реальных условиях шумовая температура

определяется шумами источника сигнала и элемента волноводного тракта на

входе. Общая шумовая температура в КПУ с бегущей волной составляет 5—

10 К при температуре жидкого гелия. В резонаторных КПУ шумовая:

температура выше: 20—100 К.

4. Особенности устройства и применения КПУ

Упрощенные схемы устройства КПУ рассмотрены в пункте 3. Отметим

некоторые особенности конструкции резонатора или замедляющей системы,

системы охлаждения рабочего вещества и магнита.

Конструкция резонатора зависит от свойств кристалла и от рабочего

диапазона волн. Обычно используют полосковые резонаторы, так как их

удобно располагать между полюсами магнита. В таких резонаторах также

проще получить больший коэффициент заполнения рабочим веществом.

Замедляющие системы обычно выполняют в виде штырей, расположенных в

волноводе. Система обладает большим замедлением групповой скорости,

широкополосностью, малыми потерями.

Охлаждение КПУ до очень низких температур увеличивает время

спин-решеточной релаксации и облегчает получение инверсии населенности.

Кроме того, с понижением температуры уменьшается уровень шумов.

Большинство КПУ работает при температуре жидкого гелия 4,2 К при

атмосферном давлении и 1,5—2 К при откачке паров гелия до давления 500

—2100 Па, но есть КПУ с температурой жидкого азота или кислорода. Для

охлаждения до температуры жидкого гелия используют двойные стеклянные

сосуды (дьюары). Внешний сосуд заполняется жидким азотом, а внутренний

— жидким гелием. Магнитное поле необходимо в КПУ для расщепления

энергетических уровней и должно быть достаточно однородным и

стабильным. В некоторых КПУ применяют магниты со сверхпроводящими

обмотками.

КПУ с очень низким уровнем шумов используют в качестве

высокочувствительных СВЧ-усилителей в радиоастрономии, космической

связи, радиолокации и в различных лабораторных исследованиях. Однако

преимущество по чувствительности можно реализовать только при

одновременном уменьшении уровня шумов в СВЧ-тракте перед усиления

большого сигнала непригодны из-за эффекта насыщения рабочего

квантового перехода вещества. Насыщение, приводящее к уменьшению

коэффициента усиления, наступает при малых уровнях сигнала

(10

-8

—10

-5

Вт), однако динамический диапазон входных сигналов остается

чрезвычайно большим из-за малого уровня шумов, доходящего в отдельных

КПУ с бегущей волной до 3,5 дБ.

Режим насыщения для КПУ неопасен, но в ряде применений он

недопустим из-за большого времени восстановления нормального режима

усиления после прекращения сильного воздействия. Время восстановления

сравнимо с временем парамагнитной релаксации. В качестве рабочего

вещества используют рубин. На более высоких частотах (в миллиметровом

диапазоне) применяют рутил с примесью хрома или железа, для которого

требуется меньшее магнитное поле. Время восстановления в КПУ с рубином

порядка 10

-2

с, а с рутилом 10

-3

с.

Обычно полоса пропускания КПУ составляет 15—20 МГц.

Увеличение полосы достигается в простейшем случае искусственным

уширением спектральной линии вещества или коррекцией частотной

характеристики СВЧ-тракта. Наиболее эффективным оказался способ

уширения линии созданием неоднородного магнитного поля по длине или

поперечному сечению вещества. В простейшем случае применяют два

участка с различным полем. Например, достигнута полоса 150 МГц при

коэффициенте усиления 25 дБ и ожидается получение полосы до 500 МГц.

Очевидно, что в этом способе требуется применение генераторов накачки с

разными частотами (по числу участков) или с частотной; модуляцией (при

непрерывном изменении магнитного поля).

Переход к другой частоте сигнала вне полосы требует изменения

частоты квантового перехода, т. е. одновременного изменения магнитного

поля и частоты генератора накачки. В различных КПУ с бегущей волной

диапазон такой перестройки составляет от нескольких до 20%.

В настоящее время КПУ работают в диапазоне частот до 100 ГГц.

Резонаторные КПУ на частотах 1—10 ГГц при использовании рубина

имеют коэффициент усиления 15—30 дБ и полосу пропускания менее 1%.

КПУ с бегущей волной имеют следующие типичные значения: коэффициент

усиления 20—30 дБ, полоса пропускания 15—20 МГц (менее 1%), диапазон

перестройки 100—200 МГц. Однако достигнуты значения полосы на частоте

4,2 ГГц до 150 МГц (3,5%) и диапазона на 37,5 ГГц до 4,6 ГГц (22%).

Исключительно важное достоинство квантовых усилителей - малые

собственные шумы, что, в частности, объясняется низкой температурой, при

которой работают эти усилители. Поэтому они пригодны для приема очень

слабых сигналов. Приемные устройства высокой чувствительности для

радиолокации космических объектов и радиосвязи с ними, а также для

радиоастрономии обычно имеют в качестве входного каскада квантовый

усилитель. Его собственный шум может быть в десятки и сотни раз меньше,

чем у других типов усилителей. Квантовые усилители маломощны, но это их

свойство не имеет значения, так как они применяются для усиления очень

слабых сигналов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Н.Д.Федоров «Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы», изд-е

4е, переработанное, МОСКВА АТОМИЗДАТ, 1989

2. Г. М. Зверев, Н. В. Карлов «Применение парамагнитных кристаллов в

квантовой электронике», 1985