Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов

151

— максимально допустимая мощность рассеяния -Рсрмакс, Вт.

Это мощность, которую термистор (болометр) может рассеивать в течение длительного времени при условии, что необратимые изменения его характеристик останутся в пределах норм.

В общем случае, как болометрам, так и термисторам присуща нелинейная зависимость изменения сопротивления от изменения уровня рассеиваемой мощности и температуры окружающей среды. Для термисторов эту зависимость можно запи-

Эта зависимость может быть записана как:

Дифференцируя выражение (4.51) или (4.52), можно определить относительный температурный коэффициент сопротивления

Из выражения (4.53) следует, что температурный коэффициент-сопротивления термистора является величиной отрицательной и существенно изменяется при изменении температуры термистора. Однако при изменении сопротивления термистора в пределах Rtoн±(5— 10)% температурный коэффициент можно принять постоянным, что позволит сравнивать характеристики термисторов.

Зависимость сопротивления проволочного болометра от температуры в общем виде может быть записана как:

где θ = t оК − t оК окр .

Постоянная рассеяния h t o термочувствительного элемента определяет

чувствительность и дрейфовые характеристики ваттметра. Дрейф показаний отсчетного прибора при изменении температуры окружающей среды прямо пропорционален постоянной рассеяния болометра (термистора):

Как термисторы, так и болометры используют для измерения малых уровней мощности непрерывных сигналов и среднего значения мощности импульс- но-модулированных СВЧ сигналов. На практике предпочтение отдают термисторам из-за их более высокой чувствительности и большей энергии перегорания при одном и том же максимальном пределе измерений среднего значения мощности импульсно-модулированных сигналов. Благодаря малой постоянной времени, проволочные и нитевидные болометры на стекловолокне применяют

152

для измерения малых уровней импульсной мощности, На проволочных болометрах, имеющих высокую стабильность параметров, строят образцовую аппаратуру. Плоские пленочные болометры позволяют расширить динамический диапазон средних уровней мощности до 1000 мВт. Для уровней мощности ниже 10 мВт такие болометры малопригодны из-за большой постоянной рассеяния, обусловливающей значительный дрейф показаний при измерениях.

4.2.3. Термоэлектрические методы

Термоэлектрические методы основаны на преобразовании СВЧ энергии в тепловую с помощью высокочастотных дифференциальных термопар прямого или косвенного нагрева и измерении возникающей в результате нагрева термо-ЭДС пропорциональной рассеиваемой термопаре СВЧ мощности. Термопары выполняют одновременно согласованной нагрузки и дифференциального термометра. Зависимость между измеряемой мощностью и величиной термо-ЭДС. выражается соотношением

где (Uтэ.д.с- напряжение термо-ЭДС на выходе термопары, мB; Кпрб СВЧкоэффициент преобразования термопары, мВ/мВт. Термоэлектрический ме-

тод, как и болометрический, применяют в основном для измерения мощности малых уровней, однако он имеет ряд преимуществ перед болометрическим. Так как величина термо-ЭДС пропорциональна подводимой СВЧ мощности и практически не зависит от температуры окружающей среды, в термоэлектрических ваттметрах отсутствуют элементы и узлы для температурной компенсации. Приемные преобразователи термоэлектрических ваттметров не требуют длительного времени прогрева и при высокой чувствительности термопар могут работать непосредственно со стрелочным индикатором. По-

скольку термопара не требует начального подогрева, как термистор или болометр, потребление ваттметра от источников питания мало, что особенно важно в случае питания прибора от первичных источников (например, аккумуляторов).

Приемные преобразователи термоэлектрических ваттметров. Основным элементом приемного преобразователя является термопара (блок термопар). Материалы для ветвей дифференциальных термопар выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечивались линейная температурная зависимость термо-ЭДС, малый температурный коэффициент сопротивления и высокая чувствительность. Наибольшее распространение получили термопары висмут-сурьма, копель-сурьма,

хромель-копель. Чтобы расширить динамический диапазон измеряемых мощностей, две термопары и более соединяют последовательно по постоянному току. При этом по высокой частоте их соединяют параллельно и для оптимального согласования их общее активное сопротивление должно быть равным характеристическому сопротивлению линии передачи.

153

В диапазоне СВЧ в основном применяют пленочные термопары, представляющие собой тонкие металлические пленки, напыленные в вакууме на слюдяные, стеклянные или иные диэлектрические подложки.

К основным требованиям, предъявляемым к приемным термоэлектрическим преобразователям, относятся: хорошее согласование с СВЧ трактом; постоянство коэффициента эффективности в диапазоне частот и уровней сигнала при абсолютном его значении, близком к единице; высокий коэффициент преобразования; устойчивость к перегрузкам и воздействиям внешних факторов.

Коаксиальный преобразователь (рис. 4.22) состоит, из отрезка коаксиала с разделительной емкостью С1 в центральном проводнике, вставки с двумя термопарами RT b кожуха с выходным разъемом.

Вставку 1 согласуют с трактом, подбирая размеры согласующей камеры в заглушке 4, и проточки 5 в корпусе отрезка линии передачи, а также рабочее сопротивление термопар.

Особенности согласования пленочных нитевидных термопар с СВЧ трактом. Коэффициент эффективности термоэлектрических преобразователей.

С повышением частоты на согласование термоэлектрического преобразователя начинает заметно влиять реактивная составляющая его полного сопротивления, определяемая индуктивностью пленочных термопар, емкостью контактной системы и другими неоднородностями, возникающими при включении вставки в тракт. Индуктивность нитевидных пленочных термопар уменьшают их допустимым укорочением и соответствующим расположением над проводящими пленочными электродами. Согласуют термопары с помощью проточек в корпусе преобразователя в непосредственной близости к месту включения термопар. Образуемой при этом резонансной системе свойственна низкая добротность из-за шунтирующего действия сопротивления термопары. Это определяет отсутствие значительных экстремумов КСВ преобразователей в широкой полосе частот

(рис. 4.23).

154

Рис.4.23. Частотная зависимость коаксиального термоэлектрического преобразователя М5-51.

В коаксиальных преобразователях наиболее часто применяют симметричное включение двух термопар. При этом сопротивление каждой термопары выбирают равным удвоенному волновому сопротивлению тракта. Так, для коаксиального тракта 50 Ом применяют термопары с рабочим сопротивлением 100 Ом каждая.

Оптимальное согласование короткой нитевидной пленочной термопары в волноводе обеспечивают выбирая рабочее сопротивление термопары приблизительно равным характеристическому сопротивлению тракта в месте ее включения. Рабочее сопротивление термопары для волноводных преобразователей выбирают таким, чтобы их общее сопротивление на СВЧ было около 100 Ом. Для согласования применяют плавные переходы с регулярного волновода на П-образный характеристическим сопротивлением 100 Ом на средней частоте рабочего диапазона. Волноводный преобразователь оканчивается короткозамкнутым отрезком прямоугольного или круглого (запредельного) волновода.

В термоэлектрический преобразователь входят элементы, приводящие к нежелательным потерям. Это разъем, держатели, диэлектрические опоры, диафрагмы для компенсации реактивностей, конструктивные конденсаторы и другие неоднородности. В связи с этим некоторая доля мощности не поступает непосредственно на термопару, что уменьшает коэффициент эффективности преобразователя. Для термоэлектрических преобразователей коэффициент эффективности представляет отношение коэффициента преобразования на СВЧ к коэффициенту преобразования на переменном токе низкой частоты (НЧ).

Кэ от единицы незначительно (до 1—2%) и им зачастую пренебрегают. На более высоких частотах Кэ как для коаксиальных, так и для волноводных преобразователей может значительно отличаться от единицы, и при измерениях, его следует учитывать. Коэффициент термо-ЭДС. (dUTЭ.Д.С./dt°) материалов, применяемых для изготовления термопар, является нелинейной функцией температуры. Компенсируют нелинейность температурной характеристики термопары (Uтэ.д.с. = f(t°) применяя для ветвей материалы с различной по знаку нелинейностью коэффициентов термо-э. д. с.

Однако для измерения мощности СВЧ практический интерес представляет не температурная, а амплитудная характеристика преобразователя (U т э.д.с. = Ф (Р)). Линейность амплитудной характеристики в общем случае не обеспечивается при линейной температурной характеристике, так как при нагреве термопа-

155

ры преобразуемой мощностью изменяется коэффициент теплоотдачи и, следовательно, температура «горячего» спая нелинейно зависит от подводимой мощности. Поскольку качество термопреобразователя определяется степенью линейности его амплитудной характеристики, то это обусловливает соответствующие требования к материалам ветвей термопар и конструкции преобразователя, при выполнении которых рассмотренные нелинейности взаимно компенсируются в заданных интервалах мощностей и температур и при этом обеспечивается требуемая величина коэффициента преобразования.

Возможности и достоинства метода. Термоэлектрический метод исполь-

зуют в диапазонах метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых длин волн. С его помощью измеряют мощности от десятков нановатт до единиц ватт при использовании аттенюаторов и направленных ответвителей.

Погрешность измерения СВЧ мощности при использовании этого метода

— погрешностью определения коэффициента преобразования на переменном токе низкой частоты δ2, зависящей от точности используемых методов измерения действующего значения напряжения (при использовании вольтметра класса

-погрешностью, обусловленной нелинейностью термопары в динамическом диапазоне, δз (обычно составляет ±(1—3)%);

-погрешностью определения коэффициента эффективности пре-

образователя δКэ (при использовании калибраторов может принимать значение ± (1,5—5)%);

-погрешностью, обусловленной отражением мощности от входа преобразователя, δ4;

- погрешностью из-за рассогласования Расчетное значение погрешности данного метода измерения мощности составит δ = ± (2,5—10)% без учета погрешности рассогласования.

К достоинствам метода следует отнести: применимость в широком диапазоне частот; малое время установления показаний, что позволяет использовать метод в автоматизированных системах; малую зависимость результата измерений от температуры окружающей среды; малое время подготовки к работе; технологическую возможность изготовления термопар на различные уровни мощности.

Недостатками метода являются: ограниченный сверху динамический диапазон; невысокая устойчивость к перегрузкам, ограничивающая применение термоэлектрических преобразователей при измерении средней мощности им- пульсно-модулированных колебаний. Пленочные нитевидные термопары, обладая малой тепловой инерционностью, уже при относительно небольшом значении энергии импульса перегорают. Так, например, термопары преобразователей М5-51 допускают подачу на них импульсной мощности: 10 Вт — при длительности импульсов 1 мкс, 4 Вт — при длительности импульсов 4 мкс, 2,5

156

Вт -при длительности импульсов 10 мкс и среднем значении мощности порядка 10 мВт.

Приведем краткие характеристики термоэлектрического ваттметра МЗ-21. Прибор предназначен для измерения мощности в коаксиальных и волноводных трактах. Он укомплектован одним коаксиальными и пятью волноводными преобразователями на диапазон частот 0,1 - 37,5 ГГц. Пределы измерений - от 10 мкВт до 10 мВт, погрешность ± (10 + 100/РВ) %, где РВ — показание прибора, мкВт.

157

РАЗДЕЛ ВТОРОЙ

Квантовые приборы СВЧ и оптического диапазона

ВВЕДЕНИЕ

Более 40 лет назад появилась новая область физики и техники – квантовая электроника. Квантовые генераторы и усилители из уникальных лабораторных установок превратились в серийно выпускаемые промышленностью приборы, которые находят все более широкое применение в самых различных областях науки и техники. Физика, химия, астрономия, медицина, технология производства, вычислительная техника, системы управления, связи, локации и навигации, специальная фотография, измерительная техника – таков далеко не полный перечень областей применения квантовых усилителей и генераторов. Перспективы их использования считаются настолько широкими, что трудно назвать область науки или техники, где квантовые устройства не будут применяться [2].

Кратко остановимся на основных достоинствах квантовых усилителей и генераторов, обусловивших их необычно широкую популярность. Для квантовых генераторов СВЧ диапазона волн характерна чрезвычайно высокая стабильность частоты (10-11 и выше). Высокая точность молекулярных и атомных стандартов частоты создала совершенно новые условия в метрологии времени. Астрономы получили в свое распоряжение часы, ход которых не связан с движением небесных тел.

Квантовые усилители СВЧ диапазона имеют исключительно низкий уровень собственных шумов. Поэтому использование квантовых (парамагнитных) усилителей позволяет получить в сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн выигрыш в чувствительности по сравнению с обычными приемными устройствами более чем в 100 раз. Такое значительное повышение чувствительности открыло большие возможности в радиоастрономии, космической связи, радиолокации, радионавигации и т.д.

Оптические квантовые генераторы в отличие от естественных источников света имеют излучение с высокой временной и пространственной когерентностью.

Высокая степень когерентности излучения лазера позволяет использовать хорошо изученные радиотехнические методы для решения ряда задач управления, связи, навигации и локации в оптическом диапазоне волн.

Чрезвычайно большая величина несущей частоты лазера (1014 – 10 15 Гц) определяет высокую чувствительность доплеровских измерителей скоростей движения объектов, разрешающую способность по дальности локационных приборов, большую скорость передачи информации. Такая величина несущей частоты обеспечивает определение чрезвычайно малых перемещений, обнаружение дефектов обработки поверхностей и т. д.

Высокая направленность излучения, которая определяется пространственной когерентностью, обеспечивает огромную дальность действия систем оптического диапазона волн, возможность концентрации энергии в малом объеме пространства, разрешающую способность локационных систем по углу, помехозащищенность различных систем передачи информации.

158

Оптические квантовые генераторы являются непревзойденными источниками квазимонохроматического излучения. В оптическом диапазоне имеется реальная возможность создать эталон частоты с относительной нестабильностью 10-

13 .

Огромная интенсивность излучения лазера позволила впервые наблюдать генерацию гармоник, вынужденное комбинационное рассеяние и другие нелинейные эффекты.

Отмеченные особенности и ряд других ценных свойств излучения квантовых генераторов, особенно оптического диапазона волн, определяют тот интерес, который проявляется к ним в настоящее время. К разработке квантовых устройств и их использованию привлекается все более широкий круг работников самых различных специальностей.

Для четкого понимания принципов работы квантовых устройств и грамотной их эксплуатации требуется специальная подготовка. В настоящее время квантовая электроника становится обязательной дисциплиной во многих высших учебных заведениях.

Поэтому в данном учебном пособии излагаются основы теории, принципы построения и применения квантовых усилителей и генераторов, и которое, базируется на знаниях по математике, физике и химии в объеме соответствующих курсов технических высших учебных заведений.

Из раздела 1 следует, что в случае обычных электронных ламп мы имеем дело со свободными электронами вещества, эмиттированными в вакуумное пространство, где они получают энергию от специального источника питания (возбуждения). Затем под влиянием внешнего, обычно слабого, поля сигнала возбужденные электроны отдают свою энергию нагрузке-полю колебательной системы.

В квантовых приборах свободных электронов нет. В них участвуют связанные электроны, входящие в состав атомов вещества.

Описание процессов в таких системах существенно отлично от тех, которые были применены к свободным электронам. Механизм взаимодействия связанных зарядов с внешними полями также иной. Первичной колебательной системой, в которой реализуются усиленные колебания, в данном случае является само веще- ство-источник активных частиц. Однако самое общее ознакомление с принципами работы квантовых усилителей дает возможность сделать вывод о том, что между электронными усилителями обычного типа и квантовыми усилителями, несмотря на существенное различие, имеется и нечто общее. Общим для них является сам принцип электронного усиления.

Усиление осуществляется, как известно, за счет энергии местного источника (источника возбуждения или иначе питания). А это означает, что сигнал может лишь воздействовать на электронную схему, причем так, чтобы она вызвала “ излучение“ электронов, возбужденных местными источниками на той же частоте и в той же фазе, что и действующий на входе усилителя сигнал. Действительно, генератор или усилитель представляет собой устройство, преобразующее энергию источника питания (или иначе возбуждения) в энергию электромагнитного поля, обладающего тем или иным спектром. Это преобразование осуществляется с помощью носителей зарядов, находящихся либо в свободном, либо в связанном состояниях, что для конечного эффекта усиления совершенно безразлично.

159

Глава 5

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

5.1.Принцип квантового усиления

В основе работы устройств квантовой электроники лежит принцип квантового усиления электромагнитных волн. Созданные на основе этого принципа квантовые приборы позволили сделать скачек по частоте на 4 порядка от 1011 до 1015 Гц (в длинах волн от 3 мм до 0,3 мкм).

Рассмотрим суть принципа квантового усиления электромагнитных волн [4]. Прежде всего, отметим, что квантовыми системами называют системы, состоящие из микрочастиц (электронов, ядер, атомов, молекул и т.д.) и подчиняющиеся квантовым законам, характерным для микромира.

В квантовой теории отдельный электрон, атом или молекулу (и более сложные системы) можно рассматривать только как объект, существующий в некотором разрешенном квантовом состоянии. Важнейшим свойством квантовой системы является то, что ее внутренняя энергия (энергия, не определяемая движением системы как целого) при определенных условиях может принимать лишь разрешенные дискретные значения Е . Каждому из этих разрешенных значений энер-

гии соответствует одно или несколько устойчивых состояний движения частиц в системе: энергия квантована. Квантование энергии является следствием волновых свойств микрочастиц.

Энергетические состояния, которыми может обладать квантовая система, для наглядности изображают графически в виде уровней энергии (рис.5.0) по аналогии с потенциальной энергией тела, поднятого на различные высоты (уровни). Самый нижний уровень, соответствующий возможной наименьшей энергии системы, называют основным и обычно обозначают E0. Все остальные уровни E1, E2

.. En называют возбужденными, так как для перехода на них с основного уровня надо возбудить систему, т.е. сообщить ей дополнительную энергию.

160

Рис. 5.0.Графическое представление квантовой системы

Число частиц на каждом уровне различно. Так как любая система стремится к устойчивому состоянию, то частицы по уровням распределены так, что E1 энергией обладает N1 число частиц, энергией E2 -N2 число частиц и так далее. Среднее число частиц, обладающее одинаковой энергией, приходящееся , как правило, на см3 называют населенностью данного уровня.

В условиях термодинамического равновесия распределение числа частиц по энергетическим уровням подчинено закону Больцмана

где gm, gn – кратность вырождения уровней (или число возможных состояний квантовой системы с определенным значением энергии), Т – абсолютная температура, k – постоянная Больцмана (1,38·10-23 Дж/град).

В определенных условиях взаимодействия, электрон может совершать скачкообразный переход с одного уровня на другой. При подобных переходах сверху вниз (т.е. с уровня с большей энергией на уровень с меньшей энергией) атом излучает, а при переходе снизу вверх поглощает порцию электромагнитной энергии, называемую квантом энергии или фотоном. Энергия испущенного (поглощенного)фотона определяется известным правилом частот Н. Бора:

Как следует из выражения (5.2), частотный спектр (набор частот электромагнитных волн) тесно связан с энергетическим спектром, поэтому дискретностью энергетического спектра объясняется линейчатый характер спектров поглощения или излучения электромагнитных волн атомами.

Преобразуем распределение Больцмана, учитывая постулат Бора. Будем считать, что уровни не вырождены т.е. gm = gn = 1

Из (5.3) следует, что если частота кванта νmn = 1015 Гц. (оптический диапазон), то