ПУ в диапазоне сантиметровых волн на точечных диодах из GaAs с Р 0,005 ольсм, у которых постоянная времени t в интервале температур 77-300° К изменяется мало, составляет примерно 50° К.

Приведем некоторые данные о разработках охлаждаемых ПУ, выполненных за рубежом. Если судить по материалам периодической зарубежной печати, то наиболее интенсивно работы по охлаждаемым ПУ развернулись в США с начала 1962 г. в связи с созданием экспериментальных линий сверхдальней связи на .СВЧ через искусственные спутники Земли (ИСЗ).

Более ранние упоминания о проведении единичных экспериментов определения Тш вырожденных ПУ при охлаждении только одного диода относятся к 1960- 1961 гг. и, как правило, носят характер иллюстраций к теории обычных ПУ.

Результаты экспериментов, выполненных зарубежными авторами с вырожденным (одноконтурным) ПУ при охлаждении одного диода, приведены в табл. 3.1.

В большинстве работ, приведенных в таблице, диод охлаждался при помощи медного полированного или серебряного стержня, один конец которого размещался в сосуде Дьюара с жидким азотом. Термопара для измерения температуры укреплялась возле держателя диода. Для предотвращения конденсации влаги через резонатор циркулировал охлажденный и просушенный газообразный азот. Температура диода, как правило, была выше 77° К и регулировалась изхменением зазора между диодом и поверхностью жидкого азота.

Таким образом, лабораторные эксперименты с охлаждением диода одноконтурного (вырожденного) усилителя показали принципиальную возможность уменьшения шумов ПУ в диапазоне сантиметровых волн.

Разработка двухконтурных ПУ с охлаждением шла по направлениям создания:

- устройств с охлаждением одного диода;

- ПУ с охлаждаемой нагрузкой в тракте разностной частоты 0)2;

- полностью охлаждаемых ПУ с охлаждаемым нагрузочным устройством (например, ферритовым вентилем) в тракте юг *.

* Впервые такое устройство было предложено автором для приемников сверхдальней связи на СВЧ.

160 -

11-2175

- 161 -

Среди опубликованных работ наибольший практический интерес представляет работа Уэнохара [17], вышедшая в свет в конце 1963 г., которая посвящена разработке охлажденного ПУ па частоте 4170 Мгц для приема сигналов ИСЗ Телстар . Данный усилитель вместе с циркулятором представляет собой компактное устройство, размещенное в запаянном герметичном металлическом кожухе внутри криостата с жидким азотом. Подстройка усилителя осуществляется при помощи миниатюрного электромотора. Для расширения полосы пропускания до 60 Мгц в тракт разностной частоты включена нагрузка. Этот усилитель на диоде из арсенида галлия вместе со вторым неохлажденным каскадом параметрического усиления обеспечивал 7ш = 40°К, полосу пропускания 60 Мгц и усиление 38 дб.

Исключительно перспективны работы по созданию охлаждаемых ПУ на диоде из антимонида индия InSb, обладающем, как уже отмечалось, весьма высокой подвижностью носителей и малой шириной запрещенной зоны. Эксперименты показывают, что с понижением температуры сопротивление потерь диодов из антимонида индия при подборе типа и концентрации примесей падает примерно пропорционально температуре в интервале температур Г=77°К и частотные границы применения этих диодов расширяются. Один из усилителей на диоде из антимонида индия работал на частоте 5 Ггц в вырожденном режиме и обеспечивал температуру шума 1ГК при усилении 20 дб и 7°К при усилении 30 дб, что является рекордным результатом для ПУ, охлаждаемых до 7:=77°К.

При охлаждении до температуры кипения жидкого гелия критическая частота диода из InSb увеличивалась втрое.

Другие интересные сообщения об исследованиях ПУ, охлаждаемых до температуры жидкого гелия, относятся к схемам на диоде из арсенида галлия, являющимся, по мнению зарубежных специалистов, весьма перспективным прибором для гелиевых температур.

Усилитель невырожденного типа, работающий на частоте 4,17 Ггц [18] с накачкой на частоте 23 Ггц, при температуре жидкого гелия имел Гш = 9°К. Контур разностной частоты был нагружен только на сопротивление диода.

Аналогичные результаты, но в диапазоне дециметровых волн получены в работе [201. Усилитель в невырожденном режиме работал на частоте 1,333 Ггц с накачкой [=13,5 Ггц и имел при температуре жидкого гелия Гт=9,8°К. Макет усилителя, выполненного на коаксиальных линиях, полностью охлаждался в криостате.

Заканчивая краткое рассмотрение ПУ при низких температурах, необходимо отметить, что интерес к исследованиям охлажденных параметрических усилителей непрерывно возрастает благодаря следующим достоинствам, присущим этим устройствам:

- низкому уровню шумов (во много раз меньше шумов обычных ПУ);

- возможности расширения полосы пропускания без ухудшения чувствительности и создания широкополосных входных устройств па дециметровых волнах, где квантовые усилители малоэффективны;

- температурной стабильности параметров;

- возможности расширения рабочих частот в сторону коротковолновой части диапазона СВЧ.

Параметрические усилители для работы в коротковолновой части диапазона СВЧ могут быть созданы не только путем использования охлажденных двухчастот-ных устройств, у которых сон <й1, но и путем использования многочастотных устройств с глубоким охлаждением. Как известно [38], одним из основных преимуществ многочастотных ПУ является возможность применения генераторов накачки, частота которых лежит ниже частоты усиливаемого сигнала. Однако температура шума таких ПУ в несколько раз превышает температуру окружающей среды, т. е. их практическое применение целесообразно только при глубоком охлаждении. Это же относится и к тем многочастотным ПУ, в которых кроме изменения емкости с частотой накачки изменяется и активное сопротивление диода.

Большую пользу может принести создание охлажденных нерегенеративных параметрических устройств - преобразователей частоты и усилителей бегущей волны. Можно сказать, что последние при низких температурах испытывают свое второе рождение , так как несмотря на ценные качества таких устройств, они не получили распространения главным образом из-за температурной нестабильности и наличия потерь в диодах. Создание

11* - 163 -

охлаждаемых конструкций на базе специальных диодов может значительно расширить практические границы применения ПУ бегущей волны.

3. РЕЗОНАТОРНЫЕ КВАНТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Квантовые усилители и генераторы явились первыми практическими устройствами радиотехники низких температур, исследование которых, однако, еще совсем недавно не выходило за стены физических лабораторий. Квантовым приборам посвящена обширная литература. В данном разделе мы осветим лишь основные отличительные черты, которые выделяют квантовые усилители из группы малошумящих устройств, а также сообщим некоторые сведения, необходимые для расчета Тш при различной температуре охлаждения.

Если в схемах резонаторных усилителей в качестве активного элемента, создающего отрицательное сопротивление, применить намагниченное парамагнитное вещество, то получим квантовый усилитель. Для него генератор накачки является таким же необходимым элементом, как и для параметрических полупроводниковых и ферритовых усилителей. Выше отмечалось, что парамагнитное вещество, помещенное в поле постоянного магнита, поглощает в диапазоне СВЧ мощность проходящей через него электромагнитной волны на резонансной частоте, совпадающей с частотой перехода между соответствующими уровнями энергии в веществе.

Ввиду того что в парамагнетике частицы, способные поглощать энергию, обладают индивидуальностью, т. е. различимы, статистическое распределение этих частиц по энергетическим уровням описывается формулой Больцмана

ЖГ~ (Е.-ЕМкТ (3.62)

где Л1 -число атомов, находящихся в нижнем энергетическом состоянии El (параллельная ориентация спинов в магнитном поле); N2 - число атомов, находящихся в верхнем энергетическом состоянии Е2 (антипараллельная ориентация);

Т - абсолютная температура, нри которой находится решетка активного вещества. - 164 -

Отсюда следует, что число атомов Ль способных поглощать высокочастотную энергию, больше числа ато-мрв N2, имеющих возможность совершить индуцированный переход с излучением энергии на резонансной частоте перехода

fASzll.. (3.63)

Таким образом, при воздействии на парамагнетик высокочастотного поля в пем одновременно действуют два индуцированных механизма, вызванных внешним полем, - поглощение и индуцированное излучение, вероятности которых pi2 и Р21 одинаковы. Представим-себе объем, в котором находится парамагнитных ионов и постоянное магнитное поле перпендикулярно магнитной составляющей высокочастотного црля. Тогда поглощаемая мощность определится как

(3.64)

где р\2 - вероятность того, что в течение 1 сек ион поглотит энергию и совершит переход.

Мощность, излучаемая за счет индуцированного испускания, равна

Л л = Л2/г/Р21 (P21=Pl2).

Результирующая мощность, определяющая появление затухания в резонаторе или усиления за счет мощности, отдаваемой полю, действующему на вещество, будет

Р = Р -Р зл=(Л1-Л/2)/г/р,2.

(3.6.5)

При тепловом равновесии N2<Ni и объем с парамагнитными ионами поглощает мощность

1 - exp

)]/i/;7 . (3.66)

После ряда преобразований это выражение примет известный вид, позволяющий определить поглощаемую в единице объема мощность:

AfkT - 165 -