1.2. Общие сведения об электронных и квантовых приборах свч и оптического диапазонов и их основных параметрах

Электронные сверхвысокочастотные и квантовые приборы пред­назначены для усиления, генерации и преобразования частоты электромагнитных колебаний СВЧ и оптического диапазонов.

В электронных приборах СВЧ используется энергия свободных электронов, которая обеспечивается внешним источником питания. В квантовых же приборах в энергию высокочастотного поля пре­образуется внутренняя энергия атомов (ионов, молекул). Электроны, участвуя в этом процессе, остаются связанными со своими атомами.

Интенсивное исследование СВЧ диапазона началось накануне 40-х годов и в дальнейшем в значительной мере стимулировалось созданием и внедрением радиолокационных станций во время Вто­рой мировой войны. Разработка приборов СВЧ шла вначале по пути усовершенствования обычных электронных ламп — триодов и тетродов, в которых используется электростатическое управление потоком электронов. Однако их возможности были ограничены специфиче­скими трудностями, а именно: ухудшением параметров контуров с сосредоточенными постоянными при увеличении частоты и соизмеримостью времени пролета электронов между электродами с периодом усиливаемых или генерируемых колебаний. С увеличением частоты растут потери в элементах схемы лампы и уменьшаются индуктивности и емкости колебательных контуров, входящих в состав внешних цепей. Эти величины становятся соизмеримыми с индуктивностями вводов и междуэлектродными емкостями электронного прибора. Кроме этого, возникают паразитные обратные связи через общие индуктив­ности и емкости лампы. Следовательно, нужно уменьшать внутриламповые индуктивности и емкости. Для оценки влияния времени пролета на процессы в лампах удобно пользоваться параметром — угол пролета , который пропорционален отношению времени пролета электронак периоду Т переменного напряже­ния на электродах: . Угол пролета показывает, на­сколько изменится фаза переменного напряжения, приложенного к электродам, за время пролета электроном расстояния между­ электродами.

Для уменьшения угла пролета приходится уменьшать рассто­яние между электродами в лампах, что увеличивает междуэлек­тродную емкость. Поэтому для сохранения прежней междуэлек­тродной емкости нужно уменьшать площадь электродов, а это приводит к уменьшению тока и выходной мощности. Все это за­ставило искать новые пути создания приборов СВЧ, в которых время пролета не вызывает таких ограничений. Создание специ­альных приборов СВЧ стало возможным после того, как в 1932 г. советский ученый Д. А. Рожанский высказал идею метода дина­мического управления электронным потоком. Первая попытка создания прибора, основанного на этом методе (пролетного клист­рона), принадлежит А. Арсеньевой и О. Хейль. Пионером в разработке пролетных клистронов был В. Я. Савельев.

Использование метода динамического управления электрон­ным потоком привело к появлению принципиально новых прибо­ров: пролетного клистрона (1939—1940 гг., Н. Д. Девятков в СССР и братья Вариан в США), отражательного клистрона (1940 г., Н. Д. Девятков, Е. Ж. Данильцев, И. В. Пискунов, В. Ф. Коваленко), многорезонаторного магнетрона (1938—1940гг., Н. Ф. Алексеев и Д. Е. Маляров), лампы бегущей волны (1944г., Р. Компфнер в США), лампы обратной волны (1952 г.) и их мо­дификаций. Эти приборы в настоящее время составляют основу электровакуумной электроники СВЧ.

С момента изобретения в 1948 г. транзистора полупроводни­ковые приборы долгое время представлялись пригодными для ра­боты лишь в области низких частот и малых мощностей. Однако уже к 60-м годам выходные мощности приборов были значительно увеличены и параллельно началось освоение СВЧ диапазона.

Наряду с улучшением параметров транзисторов и диодов были разработаны новые типы полупроводниковых СВЧ приборов - туннельный диод (Л. Е. Саки, 1958),лавинно-пролетной диод (А. С. Тагер с сотрудниками, 1959 г.), диод Ганна (Дж. Ганн, 1963 г.) и некоторые другие. Лавинно-пролетный диод был впервые создан в СССР на основе нового эффекта, зарегистрированного как открытие, — эффекта генерации когерентных колебаний СВЧ при лавинном пробое полупроводниковых диодов. Работы А.С. Тагера и других отмечены Ленинской премией 1979г.

Квантовая электроника возникла около 25 лет назад на базе фундаментальных экспериментальных и теоретических ис­следований, проведенных в радиоспектроско-пии. В квантовой электрони­ке используется вынужденное излучение, заключающееся в согласованном по частоте и направлению испускании электромагнит­ных волн огромного количества атомов или молекул под действи­ем внешнего электро-магнитного поля. Понятие вынужденного из­лучения было сформулировано еще в 1917 г. А. Эйнштейном. В 1940—1941гг. советский физик В. А. Фабрикант, анализируя спектр газового разряда, впервые высказал идею усиления электромагнитных волн с помощью неравновесных квантовых систем с вынужденным излучением.

В 1954 г. советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров раз­работали конкретные проекты квантовых усилителя и генератора на молекулярном пучке. Первый действующий генератор на пучке молекул аммиака построили в 1954 г. американские ученые Ч. Таунс, Дж. Гордон и Г Цайгер. В 1956 г., по предложению Н. Бломбергена, был создан квантовый усилитель на твердом парамагнитном веществе — рубине. Квантовые приборы СВЧ на­зывают также мазерами (maser) в соответствии с первыми буква­ми английской фразы: microwave amplification by stimulated emission of radiation, что означает: усиление микроволн (волн диапазона СВЧ) с помощью вынужденного излучения.

Работы по воплощению принципов квантового усиления и ге­нерации электромагнитных волн в оптическом диапазоне привели в 1960 г. к созданию первого оптического квантового генератора (ОКГ) на кристалле рубина (Т. Мейман). Через год в качестве активного вещества ОКГ были использованы газы и полупровод­ники. Квантовые приборы оптического диапазона называют ла­зерами (laser) в соответствии с английской фразой: light ampli­fication by stimulated emission of radiation, что означает: усиле­ние света с помощью вынужденного излучения.

За цикл фундаментальных работ, приведших к созданию кван­товых приборов, Н. Г. Басов и А. М. Прохоров в 1959 г. удостое­ны Ленинской премии, а в 1964 г. совместно с Ч. Таунсом — Но­белевской премии.

В настоящее время к разработке и использованию квантовых приборов во всем мире проявляется повышенный интерес, что объясняется их уникальными свойствами. Атомные и молекулярные квантовые генераторы СВЧ характеризуются чрезвычайно вы­сокой стабильностью частоты излучаемых ими электромагнитных волн. Это свойство используется для создания эталонов частоты и времени. Основным достоинством квантовых парамагнитных усилите­лей СВЧ является крайне низкий уровень собственных шумов и, как следствие, чрезвычайно высокая чувствительность.

Рассмотрим основные параметры, которыми характеризуются приборы. Для усилителей нужно знать коэффициент усиления, выходную мощность, КПД, полосу пропускания, шумовые харак­теристики, для генераторов — выходную мощность, КПД, диапазон перестройки, характеристики стабильности.

Коэффициентом усиления называется отношение выходной мощности к входной. Обычно, эту величину определяют в децибелах:

Ширина полосы пропускания определяется добротностью резонаторов для резонансных усилителей и полосой пропускания замедляющей системы, согласованной с внешними линиями передачи, для нерезонансных усилителей. Обычно ширина полосы про­пускания измеряется по уровню половинного значения выходной мощности (уровень 3 ДБ) от максимального значения в полосе пропускания. Она может быть указана также в процентах, т.е. , где— средняя частота полосы пропускания.

Коэффициент полезного действия

определяется как отношение выходной мощности к суммарной по­требляемой мощности (включая мощность накала катода). Часто используется также понятие электронного КПД, равного отношению мощности, отдаваемой электронным пучком (или в общем случае зарядами) полю СВЧ, к мощности источников пи­тания прибора.

Коэффициент шума показывает, во сколько раз отношение мощностей сигнала и шума на выходе усилителя меньше этого же отношения на его входе, т.е.

Для характеристики шумов используют также понятие шумо­вой температуры . Связь и выражается известными со­отношениями: .

Диапазон перестройки генератора характеризуется коэффици­ентом перекрытия , где и-—максимальная и минимальная генерируемые частоты.

На выходе приборов СВЧ кроме полезного колебания могут появиться гармоники, колебания с комбинационными частотами и другие нежелательные колебания. Например, в лампах бегущей волны наблюдается нежелательное преобразование амплитудно-модулированных колебаний (AM) в фазово-модулированные (ФМ) или амплитудно-фазовая конверсия. Это явление характеризуется коэффициентом преобразования АМ/ФМ, имеющим размерность децибел на градус.

Для автогенераторов СВЧ важны характеристики стабильности частоты и амплитуды колебаний. Амплитуда и частота изменяются под влиянием внутренних и внешних дестабилизирующих факторов. Медленно действующие факторы (изменения температуры окружающей среды, дрейф напряжения источников питания, старение элементов) влияют на долговременную стабильность ко­лебаний. Кратковременная нестабильность колебаний проявляется в виде быстрых изменений амплитуды и частоты относительно средних значений. Эти отклонения могут иметь случайный (флуктуации, или шумы) или периодический характер. Поэтому говорят о шумах генераторов, амплитудных и частотных.

Нестабильные колебания можно представить как колебания с изменяющимися амплитудой и частотой:

,

где и—относительная флуктуация амплитуды и флук­туация частоты, а и — средние значения амплитуды и час­тоты.

В качестве основных параметров, характеризующих шумовые свойства автогенераторов, принимают спектральную плотность флуктуации амплитуды S_a(F), Гц^-1 (или дБ/Гц), и частоты S_v(F), Гц, определяемые приближенными выражениями:

где и - средние квадраты относительной флук­туации амплитуды и флуктуация частоты, измеренные в полосе частот; F — расстояние между боковой частотой модуляции и средней частотой.

Спектральная плотность флуктуации фазы связана с соотношением . Часто используют без­размерный параметр — отношение мощности боковых спектраль­ных составляющих амплитудной и частотной модуляции в некото­рой узкой полосе частот , отстоящей от средней частоты коле­баний на величину F, к средней мощности колебаний. Обычно принимают равной 1 кГц или 1 Гц.

Важными параметрами приборов являются также масса и габариты, так как от них зависит масса и габариты радиоаппара­туры в целом. При этом определяющим параметром является от­ношение удельной массы на единицу мощности, кг/Вт. Лучшие электровакуумные приборы имеют параметр, равный 0,01 кг/Вт. Снижение питающих напряжений позволяет уменьшить массу аппаратуры благодаря уменьшению массы и размеров источников питания.

Долговечность работы приборов определяется сроком службы. Наземные системы связи, а также бортовые, где возможна пери­одическая замена приборов, допускают срок службы 500-1000ч. Разработка орбитальных космических аппаратов увеличила тре­бования к сроку службы приборов. Например, ЛБВ фирмы Си­менс (ФРГ) YH1181 для космической связи, работающая в диа­пазоне частот 4,4—5,0 ГГц с выходной мощностью 1кВт, имеет срок службы 20000ч. Основным критическим параметром радио­технических систем является коэффициент готовности, определяе­мый СНДО/(СНДО + ), где СНДО - средняя наработка до отказа (в часах);—среднее время замены вышедшего из строя прибора. Коэффициент готовности наземных обзорных ра­диолокационных станций в США превышает 98%. Эти станции имеют СНДО1000ч.К коэффициенту готовности новых станций предъявляются более жесткие требования (до 99,9%).

В зависимости от условий эксплуатации к приборам предъяв­ляются также требования по механической прочности и виброус­тойчивости, температурной и радиационной устойчивости, безопас­ности эксплуатации.