Главная > СВЧ, ультразвук, аккустика > Техника сверхвысоких частот. Том 2
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

17.6.2. Усилители резонаторного типа

Работу резонаторного мазера можно отчетливо представить, обращаясь к трем нижним уровням диаграммы рис. 17.21, а. Если подать накачку на переход то на переходе 2 будет наблюдаться индуцированное излучение.

Рис. 17. 21. Парамагнитные мазеры с тремя уровнями: а — диаграмма энергетических уровней; б - зависимость коэффициента отражения от магнитного поля; в — зависимость коэффициента отражения от частоты.

На рис. 17.21, б показан сигнал, отраженный от входа резонатора в зависимости от Н. На осциллограмме (1) мощность накачки мала, и отражение в основном происходит

из-за поглощения в кристалле. По мере того, как мощность накачки возрастает, излучение начинает превосходить поглощение до тех пор, пока, наконец, материал перестанет вносить потери; в этом случае согласованная полость дает нулевую отраженную мощность. Дальнейшее увеличение мощности накачки опять приводит к появлению отражения, но мазер в этом случее работает в режиме излучения, как на осциллограмме (11). Наконец, как в случае (111), отраженная мощность начинает превосходить падающую, т. е. имеет место усиление; еще более высокая мощность приводит к возникновению колебаний (генерированию).

Помимо этого, отраженный сигнал можно изобразить в зависимости от частоты, как на рис. 17.21, в. На осциллограмме (1) резонансный провал благодаря наличию разонатора накладывается на более широкий резонансный отклик на воздействие эталонного клистронного генератора сигнала. Полоса пропускания материала обычно превосходит полосу пропускания резонатора, поэтому, когда поглощение устранено индуцированным излучением, осциллограмма для согласованного резонатора имеет вид, показанный пунктиром. Дальнейшее увеличение мощности накачки приводит к появлению мощности, отраженной от резонатора, которая на осциллограмме (11) равна падающей мощности; наконец, как показано на осциллограмме (111), имеет место усиление.

Были выдвинуты многочисленные соображения [71, 408, 427, 431, 518, 619] относительно выбора параметров резонаторных мазеров, необходимых для получения оптимальных значений коэффициента усиления, полосы пропускания и коэффициента шума. Для одноплечего мазера отражательного типа коэффициент усиления по мощности равен

а полоса пропускания

где является добротностью, связанной с шириной резонансной линии материала.

Величина

для данной частной системы является постоянной. При разумных практических условиях, когда уравнение (17.101) сводится к

Если накачка мазера достаточно эффективна, то и

Для составляет таким образом 0,2 от ширины резонансной линии. Нормированная полоса пропускания мазера приведена на рис. 17.22, а в зависимости от коэффициента усиления для предполагаемого примера, когда сплошная линия представляет вычисления по уравнению (17.101), а пунктирная — по (17.102). Двухплечий мазер проходного типа обладает произведением которое равно только половине соответствующего произведения у мазера отражательного типа.

Когда материал находится в состоянии излучения, то его полное сопротивление изменяется в двух направлениях: помимо того, что резистивная составляющая становится отрицательной, реактивная составляющая в зависимости от частоты меняет знак.

Рис. 17.22. Рабочие характеристики мазеров с тремя уровнями: а — зависимость полосы пропускания от коэффициента усиления; б - отношение чувствительности усиления к коэффициенту усиления. (См. [127].)

Второе обстоятельство может быть использовано для получения таких значений коэффициента усиления и полосы пропускания, которые превосходят ограничения, налагаемые обычной теорией цепей [270]. В работах [454, 534] рассмотрен выбор оптимальной ширины линии в мазерах.

Очень важным в усилителях такого рода является чувствительность усиления к небольшим изменениям степени инверсий, измеряемым величиной Мерой этой чувствительности усиления может служить отношение относительных изменений коэффициента усиления к Для резонаторного мазера это отношение равно а его значения для различных коэффициентов усиления графически показаны на рис. 17.22, б. Чувствительность по усилению и полоса пропускания связаны обратно пропорциональной зависимостью; широкая полоса пропускания обеспечивает устойчивую работу мазера; На практике стабильность усиления достигается за счет

регулирования температуры и соответствующего насыщения накачки. Характеристики можно улучшить и путем каскадного включения, в результате чего получается многорезонаторный мазер [432]. Для N симметрично настроенных резонаторов произведение коэффициента усиления на полосу пропускания возрастает в раз, в то время как логарифмическая производная общего коэффициента усиления при резонансе в значениях восприимчивости выражается разделения входной и выходной мощностей.

Очевидно, восемь резонаторов довольно близко воспроизводят поведение структуры с бегущей волной

Большинство применяемых на практике мазеров являются одноплечими устройствами, поэтому необходимы средства для

Рис. 17. 23. Невзаимные системы для резонаторных мазеров: а — схема с циркулятором; б - влияние нагрузки на стабильность мазера; в — балансная схема усилителя. (См. [15, 26].)

Такое разделение просто осуществляется с помощью циркулятора, как показано на рис. 17.23, а. При этом достигается еще и то преимущество, что шумы нагрузки приемника с комнатной температурой не проходят непосредственно в мазер. Помимо собственной шумовой температуры мазера в эффективную шумовую температуру входят слагаемые: учитывающее шумы приемника; учитывающее шумы согласованной нагрузки, отраженные от антенны; обусловленное шумами, проходящими между плечами 2 и 4 циркулятора; обусловленное щуками приемника, проходящими между плечами , определяемое диссипативными потерями в фидере между антенной и мазером. Эффективная шумовая температура

на зажимах антенны с собственной шумовой температурой Та становится равной

Если развязка циркулятора равна 25 дб, а нагрузка и приемник находятся при комнатной температуре, то примерно равны каждая Г К. При КСВН антенны также равна Практически в шумы мазеров с большим усилением значительную долю вносят диссипативные потери, включая потери в циркуляторе.

Одноплечие мазеры будут испытывать изменения коэффициента усиления и могут даже генерировать в зависимости от условий нагрузки вследствие попадания части отраженного усиленного сигнала обратно в мазер. На рис. 17.23, б представлен расчетный график [15] отношения уровня отраженного усиленного сигнала к входному сигналу в зависимости от полного сопротивления нагрузки, точнее от КСВН, причем в качестве параметра взят коэффициент усиления мазера в децибелах. Заштрихованные области относятся к таким соотношениям между КСВН и коэффициентом усиления мазера, при которых мазер генерирует. Допустимые значения КСВН могут быть увеличены, если контролировать фазу коэффициента отражения. Можно учесть отражения от всех узлов, включая антенну и приемник, изолированные с помощью циркулятора.

Пользуясь балансной схемой [26] мазера, представленной на рис. 17.23, в, можно избежать применения циркуляторов, которые, как правило, громоздки и на сверхвысоких частотах имеют большие вносимые потери. Мощность сигнала, входящая в плечо 1 двойного волноводного тройника, делится поровну между плечами 2 и 3, а затем усиливается мазерами и отражается. Если подобрать параметры мазеров и длины соединительных плеч таким образом, чтобы в месте сочленения отраженные волны находились бы в противофазе, то они будут комбинироваться и через плечо 4 попадут на приемник. Шум от приемника также делится пополам между плечами 2 и 3 и затем после, усиления излучается антенной. В идеальном случае коэффициент усиления, уровень шума и полоса пропускания остаются такими же, как и у одиночного мазера с идеальным циркулятором.

Успешная работа мазера на твердом теле впервые получена [389, 390, 391] при использовании 0,5% Резонатор имел вид четвертьволнового отрезка полосковой линии с колебаниями типа при частоте сигнала и прямоугольного объемного резонатора с колебаниями вида при частоте накачки Мощность накачки соответствовала переходу между уровнями 2 и 4 (из восьми возможных). Введение в концентрации 0,2% обеспечивало отношение времен для соседних переходов усиление получалось на частоте, соответствующей переходу между уровнями 3 и 2. Постоянное

магнитное поле в было приложено под углом 17° к оси кристалла и под углом 45° к направлению высокочастотных магнитных полей сигнала и накачки, что является компромиссным решением. При коэффициенте заполнения 0,08, рабочей температуры 1,2° К и мощности накачки возникали колебания, мощность которых возрастала до 20 мквт, когда мощность накачки увеличивалась до

В резонаторном мазере с рубином был успешно использован [296] режим работы с двойной симметричной накачкой частоты сигнала и накачки составляли соответственно 9,22 и при постоянном поле Этот режим работы был применен также и в перестраиваемых мазерах [174]; в частном образце [312] кристалл размерами см был расположен в одном из концов резонатора.

Рис. 17. 24. Резонаторные мазеры на твердом теле: а — волноводный для 9,5 Ггц; б - коаксиальный для в — коаксиальный для (См. [294. 90, 25].)

Другой конец резонатора замыкался подвижным плунжером, обеспечивающим возможность перестройки; сигнал и накачка подводились через щели. Произведение полосы пропускания на коэффициент усиления составляло при температуре ванны соответственно 4,2 и 1,5° К.

Типичный волноводный резонатор для усилительного мазера [160, 294] диапазона показан на рис. 17.24, а. Резонатор размерами был образован [108] серебряным покрытием кристалла 0,05%-ного рубина требуемого размера. В режиме двойной накачки при температуре ванны 4,2° К произведение коэффициента усиления на полосу пропускания составляло Такой режим работы дает возможность получить усиление при 60° на частоте произведение коэффициента усиления на полосу пропускания составляло Рубин также нашел применение и в других мазерах [86]; один из них

работает [17] при низком магнитном поле; в другом при работе на гармониках частота накачки ниже частоты сигнала. [18, 565]. В мазерах для частот и ниже обычно используют коаксиальные резонаторы [566]. Кроме того, на существующих материалах трудно осуществим режим двойной накачки, поэтому ориентация кристалла выбирается такой, чтобы можно было применять высокие частоты накачки. В ранних образцах мазера был использован [291] цилиндрический резонатор; применялся кристалл частота накачки составляла около

Для резонатора [90, 91], показанного на рис. 17.24, б, частоты сигнала и накачки были соответственно 3 и Большой коэффициент заполнения достигался путем расположения 0,05% рубинового кристалла в области максимума высокочастотного магнитного поля. Приложенное поле равнялось При 1,6° К произведение коэффициента усиления на полосу пропускания составляло что соответствовало порядка 100. В другом случае частота накачки была равна при этом достигались более хорошие характеристики за счет соответствующего увеличения мощности насыщения. Параллельная накачка давала возможность [243] получить произведение коэффициента усиления на полосу пропускания порядка при для рубина с

В мазере с тремя уровнями [25] для нашел применение резонатор проходного типа, показанный на рис. 17.24, в. Был получен коэффициент заполнения 0.5. При использовании и частоте накачки произведение коэффициента усиления на полосу пропускания было равно при 1,25° К. Мазер работал в поле составляющем с осью а угол 18°, а с осью в кристалла — 90°. Мощность насыщения равнялась Тот же самый материал и такая же частота сигнала использовались в мазере, у которого ось была компланарна векторам переменного и постоянного (магнитных) полей, а ось а составляла угол 35° с последним. Кристалл объемом был расположен в конце прямоугольного резонатора, в котором поддерживались колебания вида на частоте накачки и который содержал четвертьволновый полосковый резонатор для сигнала. При температуре 1,6° К и добротности резонатора сигнала около 2000, начиная с уровня мощности накачки в мазере возникали колебания. В режиме усиления при увеличении входной мощности до 0,02 мквт коэффициент усиления падал с 10 до 8 дб.

Изучена также работа мазеров в диапазоне 1,42 Ггц [55]. Для рубина с ориентацией поля под 90° к оси было получено функционирование [16] в диапазоне по крайней мере в цепях сигнала использовались колебания типа ТЕМ, а в цепях накачки — колебания типа ТЕ. Кристалл весом 100 карат с примесью хрома при концентрации 0,05% давал коэффициент заполнения 0,85. На частоте произведение коэффициента усиления на полосу пропускания составляло при температурах

соответственно 1,5 и 4,2% К. Частота накачки составляла а приложенное поле равнялось Такой мазер вместе с циркуляторами конструктивно был выполнен в пакетном виде [19].

Были разработаны мазеры для ультравысоких частот; один из образцов [488] перестраивался в диапазоне При ориентации рубина 90° и накачке между уровнями уровни сигнала были на частоте Кристалл объемом был расположен в центре объемного резонатора, заполненного тефлоном, в котором на частоте накачки возбуждались колебания вида При поле и температуре 1,7° К произведение коэффициента усиления на полосу пропускания составляло В другом мазере был применен [245, 246] резонансный контур на сосредоточенных постоянных при частоте сигнала Для 0,5% частота накачки при поле составляла насыщение при температуре 1,6° К достигалось при мощности Цилиндрический резонатор для частоты накачки работает в режиме колебаний Вывод сигнала осуществлялся через настроенную петлю; вследствие низкого магнитного поля петля может быть покрыта свинцом и в условиях сверхпроводимости обеспечивалась добротность около 10 000. Кристалл располагался внутри петли, что давало коэффициент заполнения 0,5 и произведение коэффициента усиления на полосу пропускания

Для работы мазера в нулевом поле был применен [244] корунд, легированный железом. Расщепление уровней, соответствующее частоте позволяло осуществлять на этой частоте усиление при частоте накачки Насыщение происходит при мощности накачки температуре 4,2° К и номинальной концентрации ионов равной Для заполненного резонатора, образованного серебряным покрытием кристалла, произведение коэффициента усиления на полосу пропускания равнялось при следующих рабочих условиях: угол поля в составлял 20°, частоты сигнала и накачки были соответственно 12,3 и Титанат, легированный использовался в мазерах на при частоте накачки [166, 167]. С титанатом, легированным была осуществлена работа [157] в области миллиметровых волн. Вследствие высокой диэлектрической постоянной кристалл размером, например, обеспечивал достаточное количество резонансных видов колебаний. При накачке на частоте за счет изменения величины и ориентации магнитного поля было получено усиление сигнала в диапазоне Подобным же образом была осуществлена работа и в диапазоне [631].

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление