ние йвнш. Это внешнее затухание , т. е. затухание, которым обладал бы резонатор, если бы у него были потери, вносимые волноводом (нагрузкой), а собственных потерь не было.

Часто вместо затуханий удобнее использовать обратные им величины - добротности:

и QE

flo PmI йвнш

Йолное затухание резонатора с учетом энергии, вносимой образцом при накачке, и внешнего затухания:

d - d0 + dBHm + dM = d0 -f-

+ dmm - \dM\. (29-11)

Соответственно полная добротность

(29-12)

Из теории линий передач известно, что отношение отраженной мощности Ротр к падающей Рпад (в нашем случае - коэффициент усиления мощности) равно квадрату коэффициента отражения

Ляр . 11-КСВН]

пад I 1 + КСВН

где КСВН - коэффициент стоячей волны напряжения;

\Г\ =

амплитуда отраженной волны амплитуда падающей волны

-отр

Г - коэффициент отражения, который можно рассматривать как усиление по напряжению : Г-К.

Рис. 29-14. Эквивалентная схема резонаторного КУ.

Для резонансной частоты схему (рис. 29-13) можно заменить эквивалентной схемой иа рис. 29-14, где

R0 - сопротивление потерь;

- модуль магнитного отрицательного сопротивления, вносимого активным образцом; W - волновое сопротивление волновода;

т - коэффициент трансформации, характеризующий степень связи резонатора с волноводом.

Для схемы на рис. 29-14 справедливы следующие соотношения;

Нагрузкой линии (волновода) является сопротивление резонатора

Rp = Ro - ?м. Величина КСВН по определению равна:

ксвн=--, ксвн =

Подставляя значение КСВН и выражение для Кр, получаем:

к Г dBHHi + ldM[ - d0 J

P L dBHm - I dM I -f d J

Полоса пропускания системы-(на уровне половинной мощности)

+ dm-+iu\)~ (29-13)

Полезно обратить внимание -на некоторые важные соотношения:

Кр>\, т.е. происходит усиление, когда КСВН<0. Последнее может быть лишь при условии

\dK\ > d0,

когда отрицательное затухание больше затухания ненагружениого резонатора;

Кр-оо, т. е. возникает генерация, когда

do + dsttm = ldM,

когда результирующее затухание системы d=0.

Таким образом, регенеративное усиление получается при условии

do < dMj <z d0 + dBBln.

Практически переход от режима усиления к генерации можно осуществить, изменяя связь с волноводом накачки, т. е. dBH. Легко видеть, что dB нт площадь усиления

/КР Д/ = tfyAf = / (dBH + dH - .

Для получения больших усилений обычно работают вблизи генерации, т. е. при do+dBBm~dM. Обычно

do <С dsHni-

Тогда dHl dBHm

Д/ w 2 d,

(29-14)

Это соотношение показывает, что произведение усиления на полосу при заданной

частоте зависит в основном от магнитного затухания dK. Рассмотрим, от каких факторов зависит эта величина.

По определению затухание является мерой потерь запасенной в системе энергии за период колебаний. В данном случае

йы~2п Е

где Еы

магнитная энергия, полученная от кристалла за период; Е--полная энергия.

Поскольку парамагнитное вещество в активном состоянии не тратит, а, наоборот, передает энергию в систему, то dK по смыс. лу должно быть отрицательным: р

*-м- j

где Рм - магнитная мощность кристалла; <hl>v

где </r>vp-усредненная по объему Vp напряженность магнитного поля.

Следов ате льно,

А 4РМ

аы =---.

f<ht>

Магнитная мощность определяется на основе квантовомеханических расчетов как

(hi- fn) f*2<

<hl>v VJ2,

(29-15)

общее число парамагнитных ионов в образце; магнитная энергия на частоте сигнала, усредненная по объему образца VV, р. - коэффициент, зависящий от материала кристалла; fik - частота переходов между

уровнями /, 2, 3; Т2 - время спин-спиновой релаксации.

Отсюда

W2{f2-1 -/3-2) .

где у - коэффициент использования резонатора, т. е. отношение магнитной энергии в кристалле к полной энергии в резонаторе.

Для увеличения произведения усиления на полосу (которое пропорционально dK) нужно:

1) работать при низкой температуре Т;

2) выбирать эффективные материалы с большим р.;

3) увеличивать коэффициент заполнения разонатора у;

4) стремиться к тому, чтобы средний энергетический уровень был расположен несимметрично относительно уровня 1 и 3 с тем, чтобы увеличить f2-i-/3-2 (т- е- чем больше разница между частотами накачки и сигнала, тем эффективнее система).

Интересно отметить, что увеличение концентрации парамагнитных ионсв увеличивает Рм лишь до определенных пределов, поскольку при этом наряду с ростом N уменьшается время релаксации.

500.

400 300 200 100

10 30

Рис. 29-15. Зависимость усиления н полосы пропускания РКУ от мощности накачки и степени связи с резонатором. Сплошные кривые соответствуют более слабой связи.

Из приведенных выражений следует, что для заданного объема кристалла н при заданной форме резонатора произведение

Кр Д/ должно оставаться постоянным.

Как и во всякой регенеративной системе, в РКУ по мере приближения к порогу самовозбуждения усиление возрастает, а полоса пропускания уменьшается. На рис. 29-15 приведена зависимость усиления Кр и шииины полосы пропускания Д/ усилителя, изображенного на рис. 29-12, от мощности накачки для двух разных степеней связи с волноводом. При постоянной мощности генератора накачки Ря с увеличением связи (т. е. dSBm) полоса расширяется, а усиление падает.

Учитывая, что j/~KP Af является важным параметром усилителя, приведем его величину для волн в 10 н 3 см. На волне в 10 см этот параметр имеет величину 20-f-30 Мгц, а на волне в 3 см 30-50 Мгц (увеличение параметра на волне 3 см объясняется изменением зависимости произведения усиления на полосу пропускания от частоты).

Следует учитывать, что при работе с большими усилениями, т.е. вблизи порога генерации, стабильность усиления ухудшается. При незначительных изменениях йнш

или dM (при изменении температуры или мощности накачки, если образец не насыщен) коэффициент усиления и полоса пропускания усилителя сильно изменяются.

Отметим, что рассматриваемая полоса пропускания ограничивается не шириной линии парамагнитного резонанса, а добротностью усилителя, так как полоса пропускания резонансной кривой парамагнитного кристалла, определяемая временем спии-спиновой релаксации, в применяемых сейчас кристаллах составляет 30-50 Мгц.

Амплитудная характеристика квантового усилителя

Своеобразие амплитудной характеристики квантовых усилителей (КУ) налагает серьезные ограничения на возможности их

Ре .Х1мквт

-30 <ъ

0,3 13 10 3D PnodcS, мвт б)

Рис. 29-16. Характеристики квантового усилителя.

о - амплитудная характеристика; б - зависимость выходной -мощности и эффективности КУ от мощности накачкн.

практического использования. При слабых сигналах амплитудная характеристика КУ линейна, т.е. Кр=const, как и у обычных усилителей (рис. 29-16,в). Затем поле сигнала все интенсивнее выравнивает заселенности рабочих уровней, допустим 3-го и 2-го, что приводит к падению усиления, так как уменьшается зависящая от разности на-селенностей магнитная энергия, передаваемая сигналу. При этом одновременно расширяется полоса пропускания. При насыщений по сигналу парамагнитный кристалл уже не отдает, а поглощает энергию, превращаясь в пассивный элемент устройства. Уменьшение усиления начинается при снг- налах, превышающих в большинстве случаев Ю-10 вт, что примерно на 30 дб превышает уровень собственных шумов усилителя.

После выключения сильного сигнала усилительные свойства восстанавливаются с постоянной времени, равной Ti (время спин-решеточной релаксации), которая в ряде случаев составляет несколько десятых секунды. Значительное время восстановления усилительных свойств после перегрузки является неприятной особенностью квантовых усилителей. Этот недостаток (подверженность перегрузкам) особенно существен в радиолокационных установках, подвер-

женных воздействию мощных импульсов собственного передатчика.

Для выбора режима работы усилителя полезно знать зависимость уровня выходной мощности сигнала от мощности генератора накачки (рис. 29-16,6). Там же приведена кривая эффективности (условного к. п. д.) усилителя, равного отношению РВЫх к Рнаначки. Величина этого к. п. д. чрезвычайно мала.

Собственные шумы квантового усилителя

Самым важным достоинством квантовых усилителей является весьма низкий уровень собственных шумов. Источниками собственного шума КУ являются:

1) тепловое излучение стенок резонатора, составляющее kT, вт на I гц. При охлаждении резонатора жидким гелием эффективная температура стенок составляет ГСТ=2-М°К;

2) шумы спонтанного (самопроизвольного) излучения парамагнитного кристалла, вызываемые самопроизвольными переходами ионов с верхнего уровня на нижний. Эффективная температура спонтанного шума Гсп в диапазоне СВЧ обычно мала, так что Гсп<Тст. Полная эффективная шумовая температура КУ ТКу=Тсп+ТСт составляет 5-10° К. Современная методика позволяет измерять столь малые шумы с точностью, соответствующей порядку измеряемой величины. Результаты подобных экспериментов дают ГКу = 104-20° К- Полный шум приемника с КУ может заметно превышать эту . величину.

Квантовые парамагнитные усилителя бегущей волны

Квантовый парамагнитный усилитель (КПУ) бегущей волны представляет собой волновод с размещенным вдоль него активным веществом, по которому распространяются электромагнитные волны сигнала и накачки. Поле накачки, воздействуя на активное вещество, возбуждает его, насыщая соответствующий переход, в результате чего образуется отрицательная температура между одной из пар электрических уровней (см. стр. 662). Волна сигнала, распространяясь по волноводу, взаимодействует с парамагнетиком, вызывает индуцированное излучение и тем самым усиливается. Расчеты показали, что для получения заметного усиления, длина волновода с парамагнитным веществом должна составлять несколько метров. Чтобы КПУ имели приемлемые для практики размеры, применяют структуры, замедляющие групповую скорость распространения волны сигнала вдоль волновода. Чем медленнее распространяется волна, тем больше времени она взаимодействует с парамагнитным веществом и тем заметнее усиление.

Чтобы исключить отражения, вызванные рассогласованием входной и выходной линий, и получить однонаправленное усиление,