5. Применение квантовых усилителей

Появление К. у. было подготовлено бурным развитием радио­спектроскопии и техники приема СВЧ в 40—50-е гг. и явилось их следствием. Однако далеко не всякое радиоприемное устрой­ство нуждается в К. у. Такие высокочувствительные усилители целесообразно применять лишь для приема очень слабых сигналов и только при отсутствии сильных помех, маскирующих полезный сигнал, напр. в радиоастрономии, исследующей радио­излучение небесных тел. Здесь не встречаются сильные сигналы, поэтому ни о каком насыщении не может быть речи. В планет­ной радиолокации проблема насыщения К. у. мощным импульсным передатчиком также не существенна, т. к. время распространения сигнала до ближайшей планеты - Венеры - пзме-

ряется минутами. За это время парамагнитная релаксация успеет

полностью ликвидировать насыщение и восстановить усиление.

Однако если принимаемый сигнал попадает в антенну в со­провождении более мощных помех, применение К. у. не исправит положения. Источниками помех могут быть: 1) различные устрой­ства, в к-рых происходит искровой или дуговой разряды; 2) по­сторонние радиостанции и радиолокаторы, 3) космич. тела, излу­чающие радиоволны в широком диапазоне частот, 4) поверхность Земли и атмосфера.

Интенсивность индустриальных шумов резко падает с увели­чением частоты. В диапазоне дециметровых и более коротких волн, вдали от крупных индустриальных центров, их уровень очень низок. В диапазоне волн длиннее 1 м, кроме индустриальных помех, приходится считаться с высоким уровнем космич. шумов галактич. происхождения. В диапазоне волн короче 1 см начинает сказываться тепловое излучение атмосферы. Поэтому применение К. у. в на­земных устройствах дает наибольший эффект в диапазоне волн

от 1 м до 1 см.

Следует заметить, что в диапазоне миллиметровых волн есть области частот с пониженным шумом атмосферы. Эти участки ра­диодиапазона наз. окнами прозрачности атмо­сферы (правильнее было бы говорить «радиопрозрачности»). Они

более благоприятны для радиосвязи и работы радиотелескопов

с К. у. В космич. пространстве шумы, связанные с поглощением

в среде, отсутствуют. Поэтому К. у. миллиметрового и еще более

коротковолнового диапазонов могут с успехом использоваться в ра • диоприемных устройствах, установленных на космич. аппаратах.

Большие неприятности для наземных приемных устройств с К. у, на входе доставляет тепловое излучение Земли, попадающее в ан­тенну. До появления К. у. конструкторы вообще не заботились о шумах антенн. Они стремились в основном к увеличению их полезной площади и направленности их действия. С появлением

К. у. возникла необходимость в малошумящих антеннах. Пришлось

пересмотреть все новые проекты антенн, предназначенных для сверхдальней радиолокации, дальней космич. связи и радиоастро­номии. Сочетание К. у. с обычной антенной позволяет снизить

результирующий шум всего устройства до 100 К и получить выиг­рыш в чувствительности лишь в 5—-20 раз. При совмещении мало-шумящего К. у. со специальной м а л о ш у м я щ е й а н т е н-р о Й можно достичь рекордно низкого уровня шумов всей си-

схемы — 10—20 А\ а выигрыш в чувствительности при этом может быть ~~ 50—200 раз.

Особенно важно применение К. у. в радиоастрономии. Возмож­ности повышения чувствительности радиотелескопов за счет уве­личения размеров антенн ограничены прочностью материалов

и высокой стоимостью таких сооружений. К. у. без увеличения

антенн повышают чувствительность приемного устройства во много раз. При наблюдении слабых сигналов на фоне шумов время, необходимое для получения информации об этом сигнале, про-

квадрату мощности шумов на входе приемника.

Применение К. у. значительно сокращает время наблюдения, что иногда является решающим. Напр., при радиолокационных иссле­дованиях планеты Меркурий, проведенных впервые в 1962 г., использование К. у. было совершенно необходимым. Меркурий имеет малые размеры и движется очень быстро. Продолжитель­ность его сближения с Землей на расстояние — 8 • 10⁷ км ограни­чено всего 10—12 днями. С удалением Меркурия от Земли мощ­ность принимаемого радиолокационного сигнала изменяется обратно пропорционально 4-й степени расстояния между планетами. За время одного сближения, даже с К. у., удалось накопить сигнал, лишь в неск. раз превышающий уровень шумов. Без К. у. пришлось бы проводить наблюдения в течение 40—50 сближений, происхо­дящих через каждые 4 месяца, т. е. это потребовало бы 10—12 лет. Венера больше Меркурия и подходит к Земле ближе. Сигнал, по­сланный с Земли и отраженный от Венеры, удавалось выделять из шумов и без К. у., но это потребовало многочасовых наблюдений (1961 г.). Применение К. у. позволило увеличить скорость получе­ния информации более чем в 40 раз. В результате по отражению радиоволн удалось подробно исследовать поверхность планеты, определить направление и скорость ее вращения, проследить тра екторию ее движения на большом участке. С помощью К. у. были проведены также радиолокационные исследования Марса и Юпитера. От Земли до Юпитера и обратно радиолокационный сигнал прохо­дит приблизительно за час. Выделить сигнал из шумов, несмотря

на гигантские размеры Юпитера, удалось только после 20-часо­вого накопления.

Сигналы, отраженные от планет, имеют достаточно узкий спектр частот. Поэтому для радиолокационных исследований планет ис­пользовались К. у. с одним или двумя резонаторами.

К. у. крайне необходимы в радиоприемных устройствах даль­ней космич. связи. Радиоприемные устройства системы связи меж­ду удаленными точками Земли через спец. спутники связи (типа «Молния» или «Телестар») также нуждаются в К. у. Здесь нужны широкополосные К. у. бегущей волны или много резона-то рные К. у.

В радиотелескопах обычно также применяются широкопо­лосные К. у. Большинство космич. тел испускает широкий спектр частот. При приеме таких сигналов отношение полезного сигнала к собственному шуму приемника растет вместе с шириной полосы пропускания.

С точки зрения широкополосности квантовый усилитель не является наилучшим среди усилителей СВЧ-диапазона. Значитель­но большую полосу частот усиливают электровакуумные лампы бегущей волны или полупроводниковые параметр и­ч е с к и е усилители (см. 11 ар а метрическое усиление и ге­нерация). Но но чувствительности К. у. не имеют равных.

Кроме сигналов с широким спектром, к нам на Землю из кос­моса приходят и сравнительно узкополосные сигналы. Первым изу­ченным сигналом такого рода была спектральная линия погло­щения межзвездного атомарного водорода на волне 21 см. Впослед­ствии были обнаружены линии излучения молекул ОН и воз­бужденных атомов водорода. Ширина наблюдаемых спектральных линий космич. газа колеблется в пределах от неск. кгц до 1 Мгц. Многие фундаментальные открытия в радиоастрономии, в частности обнаружение возбужденного межзвездного водорода в др. галак­тиках, были сделаны при помощи К.у. Благодаря высокой чув­ствительности К. у. было открыто т.н. реликтовое радио-излуче н и е, образовавшееся, по всей видимости, еще до возникновения видимой с Земли части Вселенной.

Лит.: 1) К а р л о в Н. В. н Маненков А. А.. Квантовые усилители, М., 1966; 2) К отель н и к о в В. А. [и др.], Успехи планетной радиолока­ции, «Природа», 1964, № 9; 3) А п р ак с и н Л. В., Радиолокация планет, М., 1966; 4) «Радиоэлектроника и связь», 1968, № 9. А. В. Францессоп.

_ЛАЗЕР