книги из ГПНТБ / Басалов Ф.А. Некоторые вопросы техники сверхвысоких частот [конспект лекций]

йолю бегущей волны, увеличивая ее амплитуду, а электроны, попавшие в область ускоряющего поля, наоборот, будут отби­ рать энергию. Если число тех и других электронов одинаковое (это будет при однородном по плотности электронном потоке),- то передача энергии от электронов полю бегущей волны не происходи’!', усиления сигнала нет. Поэтому для усиления сиг­ нала первоначально однородный электронный поток должен быть сгруппирован по плотности таким образом, чтобы сгустки

электронов находились в области тормозящего поля, а разре­ жения — в области ускоряющего. Такое группирование проис­ ходит при выборе правильного режима работы ЛБВ (напряжения

тронов при взаимодействии их с осевой составляющей электри­

графики движения нескольких электронов (/, 2 и 3), равномерно

ное расположение каждого электрона относительно волны остается неизменным. Графики для этого случая показаны пунктиром.

В действительности электрическое поле волны Ег будет изменять движение электронов. Электрон 2, попавший в область,

70

электронами. Кроме того, сгустки электронов образуются в области нулевого поля.

без бзаимодей стби.я

по длине лампы. Сгруппированный электронный поток увеличи­

71

такик систем (переход с одного энергетического уровня на другой) происходит не плавно, а скачкообразно.

Совокупность возможных внутренних состояний системы может быть изображена на диаграмме рядом энергетических уровней (рис. 74). Число уровней и разность энергии между ними зависит от природы вещества.

Под влиянием внешнего электромагнитного поля опреде­ ленной частоты частицы вещества поглощают порцию энер­ гии, называемую квантом, и совершают переход на более высокий энергетический уровень. Переход частиц на более низкий энергетический уровень может сопровождаться излу­ чением кванта электромагнитной энергии определенной частоты (рис. 74). Выражение „частица находится на таком-то энергетическом уровне" следует понимать так, что она обладает таким-то запасом внутренней энергии.

Связь между изменением внутренней энергии частиц вещества и частотой излученного кванта электромагнитной энергии определяется уравнением

W 2- Wt = h •/2_r

где Wo и W , — значения внутренней энергии частиц веще- ■ства, соответствующие 2 и 1-му энерге­ тическим уровням;

h— постоянная Планка, равная 6,624-10-34 дж-сек;

/2-1 — частота излученного кванта электромагнитной

Больцмана (рис. 75).

Равновесие системы нарушается при изменении температуры или при воздействии внешнего электромагнитного поля, частота которого соответствует переходу между какими-либо двумя уровнями системы. После прекращения внешнего воздействия

73

термодинамического равновесия называется релаксацией. Время релаксации зависит от природы веществам от температуры, причем с уменьшением температуры оно увеличивается. Процессы релаксации обычно не связаны с излучением энергии. Избыток внутренней энергии при протекании таких процессов перехо­

одинаково, то при воздействии электромагнитного поля

частиц перейдет на верхний уровень, нарушив распределение Больцмана.

Если в системе заранее создан па верхнем уровне избыток частиц (по сравнению с распределением Больцмана), то при воздействии на нее даже очень слабого электромагнитного поля вызывается переход „избыточных" частиц с верхнего на

применение молекулярные (квантовые) усилители на твердом рабочем вещест-ве, в качестве которого используются пара­ магнитные кристаллы (например, рубин). Эти усилители получили название парамагнитных.

Схема устройства парамагнитного усилителя приведена на рис. 76. Он состоит из парамагнитного кристалла 1, помещен­ ного в объемный резонатор 7, находящийся в магнитном поле электромагнита 2. Объемный резонатор помещен в двойную систему' сосудов Дьюара, один из которых с жидким гелием 5, а второй — с жидким азотом 6. С помощью такой

74

системы рабочее вещество охлаждается до температуры жидкого гелия (7 = 4,2°К). С помощью охлаждения увеличи­ вают время релаксации, так как у твердых рабочих веществ оно очень мало. Сосуд с жидким азотом используется с целью уменьшения испарения гелия. Через волновод 4 в объемный резонатор подается вспомогательное возбуждаю-

3 4

Р и с . 7 6 .

щее электромагнитное поле СВЧ от генератора, называемого генератором накачки. Волновод 3 является входным и вы­ ходным для сигнала. Для разделения входного и выходного сигналов при этом используется циркулятор (§ 1).

В парамагнитном усилителе для возбуждения рабочего вещества применяется метод, впервые предложенный в 1955 году советскими учеными Н. Г. Басовым и А. М. Прохоро­ вым, который основан на использовании трех энергетических уровней и вспомогательного электромагнитного поля СВЧ (поля накачки).

Суть этого метода заключается в следующем. В квантовой системе (парамагнитный кристалл) выбираются три энергети­ ческих уровня, как показано на рис. 77, а. Когда система находится в равновесии, количество частиц на каждом из этих уровней определяется законом Больцмана. При низкой температуре кристалла различие в количестве частиц на этих уровнях достаточно велико. Такая система способна погло­ щать электромагнитную энергию на частотах соответствующих переходов. Облучим эту систему электромагнитной энергией частоты / i -з от генератора накачки. При этом частицы будут переходить с 1-го уровня на 3-й. При достаточной мощности электромагнитного поля накачки интенсивность перехода будет высокой и число частиц на 3 и 1-м уровнях сравняется

7 5

лению), то частицы перейдут со 2-го уровня на 1-й и произойдет индуцированное излучение на этой частоте, в результате чего поле будет усилено. Непрерывность этого

чательной релаксации переходят на 2-й. Таким образом, сис­

тельно больше числа электронов в электронной лампе. Кроме того, порции энергии — кванты, отдаваемые каждой частицей полю, строго одинаковы и в тысячи раз меньше энергии, отдаваемой отдельным электроном в нагрузку. Тепловые

76

2)значительный коэффициент усиления, достигающий величины /(^ = 25-т-35’ <М.

К недостаткам парамагнитных усилителей следует отнести: 1) требование охлаждения до очень низких температур.

Использование холодильных установок (криостатов) увеличи­ вает габариты и вес усилителей;

2)малая полоса пропускания;

3)способность перегружаться при приеме сильного (отно­ сительно предельной чувствительности) сигнала и большое время восстановления усилительных способностей после этого.

Насыщение парамагнитного усилителя наступает при входном сигнале

Рвх = Ю -9 -г - Ш - 10 вот.

3.Параметрические усилители СВЧ

Параметрическими усилителями называют такие усилите­ ли, в которых используются колебательные системы с пери­ одически меняющимися во времени реактивными парамет­

Рассмотрим принцип параметрического усиления колеба­

стины раздвигаются в те моменты времени, когда напряжение на конденсаторе ис максимально, а сближаются — при ис = 0; Как известно, емкость плоского конденсатора и напряже­

ние на нем определяются следующим образом:

77

где з — диэлектрическая проницаемость; 5 — площадь пластины конденсатора; d — расстояние между пластинами;

q — заряд на конденсаторе.

При раздвижении пластин емкость конденсатора С уменьша­ ется. а напряжение ис на нем увеличивается, так как заряд конденсатора при этом остается неизменным. Другими сло­ вами, при раздвижении пластин конденсатора в моменты времени, когда он заряжен, совершается работа по преодо­ лению силы электростатического притяжения пластин. Энер­ гия, которая затрачивается на это, передается электрическому

полю конденсатора, поэтому напряжение на конденсаторе ис увеличивается. При сближении пластин конденсатора в моменты времени, когда он разряжен, энергия не расходуется (в идеальном случае).

Периодическое повторение такого процесса приводит к непрерывному нарастанию амплитуды колебаний в контуре до

тора, если приложенная сила неизменна, уменьшается с

7.8

через реактивный элемент в энергию сигнала. Устройство, изменяющее емкость конденсатора, называется генератором накачки.

Очевидно, что усиление в таком усилителе тем больше, чем в больших пределах изменяется емкость, а это возможно при большей мощности генератора накачки.

Из рассмотрения принципа параметрического усиления явствует, что частота накачки должна быть в два раза выше частоты сигнала, то есть

Т■*н а /„ = 2/с.

Кроме того, должно быть обеспечено нужное совпадение фаз накачки и сигнала (раздвигать пластины необходимо в те моменты времени, когда напряжение ис максимально, а сбли­ жать — при ис — 0). В противном случае будет происходить не усиление, а ослабление сигнала.

тЮ6

В реальных параметрических усилителях в качестве переменного конденсатора контура используется полупровод­ никовый диод, на который подано отрицательное напряжение смещения. При изменении отрицательного напряжения сме­

ческих усилителях. Для изменения емкости на диод подается переменное напряжение накачки, причем, это напряжение меняется не скачками, а синусоидально. Графики изменения емкости С и напряжения ис показаны на рис. 80 пунктиром.

Простейшим параметрическим усилителем на нолупрог водниковом диоде является одноконтурный усилитель. Схема одного из таких усилителей на частоту f c — 30 мггц приведена на рис. 81. Переменной емкостью является полупроводнико­ вый параметрический диод Du Постоянное отрицательное

79