активный материал располагают в структуре так, что он взаимодействует с полем сигнала только при одном направлении распространения волны, и, кроме того, вводят специальный элемент, поглощающий обратную волну и позволяющий получить однонаправленные потери.

Рис. 29-17. Уплощенная спираль.

Рис. 29-18. Схема КЕантового усилителя с диэлектрической замедляющей структурой.

/ - еход накачки; 2 - вход сигнала; 3 - выход сигнала; 4 -- сужение; 5 - материал стикаст ; 15 - рутил; 7 - активный материал (рутил с хромом).

Возможно применение замедляющих структур трех типов: геометрического, диэлектрического и резонансного. Вообще геометрические и резонансные замедляющие системы всегда используются в сочетании с диэлектрической системой, так как парамагнитный кристалл является диэлектриком.

К замедляющим системам геометрического типа относится хорошо известная проволочная спираль, применяемая в лампах бегущей и обратной волны. Несмотря иа то что с помощью спирали можно получить большие замедления волны (в 100 раз) в широкой полосе частот, такая система в том виде, в каком она используется в лампах бегущей волны, не может найти применения в квантовых усилителях по той причине, что направление поляризации высокочастотного поля при распространении

волны по круглой спирали перемещается вокруг ее оси, а это создает большие трудности в создании постоянного магнитного поля, перпендикулярного переменному полю. Уплощенная же спираль, изображенная на рис. 29-17, позволяет получить нужную взаимную ориентацию плоскостей поляризации постоянного и переменного магнитных полей.

В структурах диэлектрического типа используется замедление в диэлектрике, которое зависит от диэлектрической проницаемости е диэлектрика и его размещения в линии. Полоса пропускания диэлектрической замедляющей системы может быть одного порядка с полосой пропускания активного вещества или в несколько раз шире его резонансной линии. Удобны для применения в таких системах материалы с большой диэлектрической проницаемостью, напримар рубин (е=11) и рутил (е=89).

На рис. 29-18 изображена схема К.ПУ с диэлектрической замедляющей системой. Эта система, состоящая из рутиловых полосок и полосок специального материала стикаст , при замедлении, равном 14, в диапазоне 3-3,7 см имеет полосу пропускания около 300 Мгц.

Периодические замедляющие структуры резонансного типа позволяют получать очень большие замедления волны (до I ООО раз) в некоторой полосе, ограниченной верхней и нижней критическими частотами. Было предложено довольно много различных резонансных замедляющих структур. Одной из наиболее удобных замедляющих систем этого типа является гребенчатая система (рис. 29-19), которую в зависимости от конфигурации стержней называют также штыревой системой.

Штыревая замедляющая система удоб-. ьа тем, что с ней легко получить необходимую ориентацию постоянного и переменного магнитных полей. Постоянное магнитное поле прилагается в направлении штырей. Пеле накачки в виде основной волны Яю, распространяясь в волноводе, образует сильное продольное магнитное поле у стенки волновода и сильное поперечное поле в его центре; штыри не оказывают на эту волну большого влияния. По обе стороны гребенки образуются области круговой поляризации с противоположным направлением вращения, причем плоскость вращения круговой поляризации перпендикулярна плоскости штырей. Магнитное поле в случае гребенчатой структуры максимально у основания штырей.

Используя такую благоприятную ориентацию высокочастотных полей, можно поместить с одной стороны плоскости штырей активное вещество - парамагнитный кристалл, предназначенный для усиления прямой волны, а с другой стороны - элемент с невзаимным затуханием - вентиль. В качестве вентиля может быть использован тот же парамагнитный кристалл (например, рубин, но с большей концентрацией парамагнитных ионов) или специальный феррит.

В случае использования парамагнитного вещества как для получения невзаимных потерь, так и для усиления поглощающий кристалл берется с такой концентрацией парамагнитных ионов, чтобы при выбранной мощности вспомогательного генератора не происходило насыщения по переходу накачки.

Рис 29-19. Устройство квантового усилителя бегущей волны.

/ - розовый рубин; 2 - замедляющая система; 3- красный рубин; 4- прокладка нз коруида; 5 - волновод накачки; € - вход сигнала; 7 - выход сигнала; 8- элемент связи с коаксиальной системой.

Устройство КПУ бегущей волны с гребенчатой замедляющей системой и рубино выми кристаллами изображено иа рис. 29-19. В этой конструкции .в отрезке волновода размещена штыревая замедляющая система. У основания стержней закреплены парамагнитные кристаллы - усиливающий (розовый рубин) с концентрацией хрома примерно 0,05% и вентиль (красный рубин) с концентрацией хрома 1%. Для лучшей развязки вентиля от прямой волны между ним и штырями проложена пластина (прокладка) из чистого корунда. Вход и выход замедляющей системы по частоте сигнала в данной конструкции связаны коаксиальными линиями. Высокочастотная энергия генератора накачки подается непосредственно по волноводу.

В волноводе с замедляющей системой и парамагнитными кристаллами прямая волна, имеющая круговую поляризацию с левым вращением в верхней области (как изображено внизу иа рис. 29-19) и с правым вращением в нижней, будет взаимодейство-

вать с усиливающим кристаллом (розовым рубином), расположенным вверху, и не будет взаимодействовать с нижним кристаллом (красным рубином). Обратная волна, имеющая противоположное направление вращения круговой поляризации, будет сильно взаимодействовать с поглощающим и слабо - с усиливающим кристаллом. Кристалл с повышенной концентрацией (красный рубин) будет поглощать обратную волну, так как он ие насыщен по переходу накачки. Таким образом, усиление получается только в прямом направлении. Недостатком такого вентиля является поглощение в нем значительной части мощности накачки.

Вместо парамагнетика для поглощения обратной волны может быть применен и специальный феррит, работающий при температуре жидкого гелия, причем объем фер-ритового стержня, при котором достигается необходимое поглощение, получается значительно меньше, чем объем стержня из парамагнетика. Следует отметить, что такой вентиль очень слабо взаимодействует с полем накачки что выгодно отличает его от парамагнитного кристалла аналогичного назначения.

В современных КПУ бегущей волны коэффициент усиления Кр в зависимости от назначения усилителя, типа активного вещества и других характеристик усилителя лежит в пределах 20-40 дб (100-10 000 раз по мощности).

Ширина полосы пропускания Af усилителя бегущей волны получается на порядок больше, чем в резонаторном усилителе, и может достигать ширины линии парамагнитного резонанса активного вещества или даже большей величины. Для рубина Af примерно равно 75-100 Мгц. Если располагать активное вещество вдоль замедляющей системы в виде отдельных элементов со сдвигом настройки, т. е. для каждого такого участка создавать свое магнитное постоянное поле и подавать отдельно иакачку, то можно в несколько раз расширить полосу пропускания усилителя.

Очень важным преимуществом усилителя бегущей волны является возможность его электронной перестройки изменением магнитного поля, изменением частоты накачки или изменением одновременно магнитного поля и частоты накачки. Первые усилители бегущей волны удавалось перестраивать на 200-600 Мгц.

Уровень выходной мощности КПУ определяется объемом усиливающего материала. У усилителя бегушей волны этот объем во много раз больше (обычно раз б 10) и его выходная мощность также больше (в 10 раз), чем у резонаторных усилителей; существенно больше тлкже динамический диапазон усиления-Шумы радиоприемного устройства с РКУ

Блок-схема приемника с квантовым уси: лителем радиочастоты представлена на рис. 29-20. Сигнал, поступающий из антен-

вы, направляется циркулятором в квантовый усилитель, а усиленный сигнал подается к смесителю приемника. Далее следуют обычные элементы супергетеродина. Шумы входных цепей обычного приемника направляются циркулятором в согласованную нагрузку, где поглощаются.

Рассмотрим требования, которые нужно предъявлять к системе РКУ - циркуля-тор для наилучшего использования шумовых характеристик усилителя. Для этого произведем оценку общего уровня шума радиоприемного устройства с РКУ в единицах шумовой температуры.

Основными слагающими шума в приемном устройстве являются: шум антенны; шум системы циркулятор - РКУ; шум обычного приемника.

Для удобства введем следующие составляющие шумовой температуры: Тку- шумовая температура собственно КУ; Тп- шумовая температура обычного приемника, Тп=(Шц-1)Т0, где Шп-коэффициент шума обычного приемника; Т0=290°К. Тас- шумовая температура иа зажимах антенны, обусловленная шумами согласованной нагрузки, которые отражаются антенной (вследствие несовершенства согласования) к КУ. Ткс- шумовая температура иа входных зажимах КУ. обусловленная шумами согласованной нагрузки, которые передаются на вход КУ за счет несовершенства развязки циркулятора между плечами 4 и 2 циркулятора. Ткл- шумовая температура на входных зажимах КУ, обусловленная шумами приемника, которые подаются к КУ за счет несовершенства развязки между плечами 3 и 2 циркулятора. Обозначим через Kpi коэффициент передачи мощности между антенной и зажимами КУ. Тогда 1/rYpi характеризует потери в фидере между антенной и циркулятором, потери в циркуляторе между плечами / и 2 и потери в линии передачи от циркулятора до КУ и обратно. Пусть, далее, фидер н циркулятор имеют физическую температуру Г,.

Для расчета шума можем воспользоваться упрощенной блок-схемой, представленной иа рис. 29-21. На схеме первый четырехполюсник включает элементы линий передачи и циркулятора, результирующий коэффициент передачи мощности которых равен Крь а физическая температура равна Т\.

Коэффициент шума первого четырехполюсника равен:

Ш1==1 +

{кР1 ) То

~ - (29-16)

Второй четырехполюсник включает КУ и обычный приемник. Эффективная шумо-

вая температура этого четырехполюсника будет:

Ткс + Ти, 4- Тку -f-

, (29-17)

где Лрду- Коэффициент усиления мощности КУ. .

Антенна

Квантовый, усилитель

Рис 29-20. Блок-схема радиоприемного устройства с квантовым усилителем.

Рис. 29-21. Упрощенная блок-схема для расчета активной температуры приемника с квантовым усилителем.

Пользуясь теоремой об эффективной шумовой температуре последовательно соединенных четырехполюсников, результирующую шумовую температуру радиоприемного устройства Гш.рпу можем определить следующим образом:

ш.рпу Тд + Та

+- Гкс-г-Гкп + Г

ку I

Тх +

(29-18)

где ТД -шумовая температура антенны.

Если развязка между плечами 3 к 2, 4 и 2 циркулятора составляет примерно 25 дб, а согласованная нагрузка находится при комнатной температуре Т,=Г0=290оК, то /кс И Ткп равны приблизительно 1°К.

При КСВ антенны, равном 1,1 или меньше, температура Тас будет меньше 1° К. Если КСВ антенны будет выше, то может возникнуть необходимость в охлаждении согласованной нагрузки.

Тогда, пренебрегая малыми величинами Ткс Ткп, получаем:

ш.рпу

>тД +

Гку+

(Шп-1)Т0

(29-19)