паразитные параметры которого ограничивают частотные пределы ПУ.

Кроме того, исключительно ценной особенностью квантовых усилителей является их стойкость к воздействию сильных мешающих сигналов, вызывающих обычно разрушение полупроводникового диода. Отметим, что при выключении генератора накачки квантовый усилитель поглощает приходящий сигнал, играя роль входного ограничителя.

0,5 0,3

* 6 8 10

itO 60 100 ГГК

Рис. 3.15. Зависимость шумовой температуры квантового усилителя от температуры охлаждения при М1/И2, равных 0,1; 0,3 и 0,5 (il/Pi=.0,l).

Одним из серьезных недостатков КУ является необходимость иметь сильное постоянное магнитное поле в образце, что приводит к большим габаритам и весу системы. При использовании сверхпроводящих электромагнитов во многих усилителях этот недостаток уже сейчас практически устранен. Весьма интересной представляется конструкция квантового усилителя сантиметрового диапазона волн на рутиле (двуокиси титана) с ионами Сг+, разработанная Пименовым Ю. П. и Прохоро-рым А. М., где управление режимом электромагнита со сверхпроводящей обмоткой из ниобия осуществляется с пульта, находящегося вне криостата. Указанный усилитель при 7=4,2° К после прихода сильного сигнала имеет время восстановления усиления порядка долен миллисекунды. Заслуживает также внимания создание КУ без внешних магнитов за счет полей магнитной анизотропии в самом парамагнитном кристалле. Один из

- 172 -

таких усилителей [62] был подвергнут экспериментальному обследованию и показал хорошие результаты при использовании порошка корунда с примесью железа. Весьма перспективными представляются работы по использованию сигнала накачки в оптическом диапазоне волн, в том числе сигнала шумовой накачки [63, 64].

/ /7, Мги

аз 0,5 0,8 1

Рис. 3.16. Зависимость параметров квантовых усилителей от длины волны сигнала Xi.

Генератор накачки оптического диапазона волн может быть выполнен в виде полупроводникового лазера па основе GaAs или InSb или в виде другого охлажденного вместе с КУ генератора на основе твердого тела.

Характерные зависимости значений произведения v/ КП и длины волны накачки Лн от длины волны сигнала 1 для некоторых известных однорезонаторных КУ приведены на рис. 3.16.

4. ОХЛАЖДАЕМЫЕ ФЕРРИТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ СВЧ

Создание усилителей, а также генераторов, удвоителей, ограничителей СВЧ мощности с применением СВЧ ферритов стало возможным благодаря изучению нелинейных явлений и релаксационных процессов в ферромагнитных полупроводниках. Как известно, уравнение Ландау - Лифшица, описывающее изменение намагниченности во времени, может быть линеаризовано лишь

- 173 -

при малых значениях напряженности поля СВЧ сигнала. При больших полях существенную роль начинает играть нелинейная связь между переменной намагниченностью и магнитной составляющей переменного поля. Это проявляется в расширении характеристики ферромагнитного резонанса и в появлении на ней при некоторых частотах дополнительных пиков поглощения в ферритовом

образце, установленном в постоянном магнитном поле. При помещении такого образца в резонатор в систе.ме может возникнуть усиление, если амплитуда переменного поля с частотой накачки Ин превысит некоторое пороговое значение. При этом частоты нарастающих амплитуд намагниченности феррита и поля, как и в случае полупроводникового ПУ, могут быть связаны с частотой накачки (Он соотношением о)н=0)1 + + а 2.

Таким образом, однородная прецессия вектора намагниченности, возбуждаемая генератором накачки, обеспечивает изменяющуюся во времени связь между собственными колебаниями в системе на частотах 1 и о)2. Это дает возможность применить для такого устройства эквивалентную схему, полученную . Г. Сулом (рис. 3.17). Реактивный параметр L{t), общий для обоих контуров, изменяется во времени с частотой накачки io аналогично переменной емкости в полупроводниковом ПУ и обеспечивает медленно изменяющуюся связь между этими контурами. Если модуляция реактивного параметра достаточно глубока, чтобы скомпенсировать все потери (собственные и вносимые в контуры со стороны нагрузки), то система может самовозбудиться. Если подать входной сигнал на частоте o)i и не доводить систему до генерации, то можно получить усиление сигнала, как и в обычной регенеративной системе.

Рис. 3.17. Эквивалентная схема ферритового усилителя (Lo, Со и йо -параметры резонатора).

Помимо электромагнитных колебаний в резонаторе, существующих и без феррита, большую роль играют так называемые магнитостатические колебания, возникающие внутри самого ферритового образца. Эти колебания обусловлены внутренним движением сильно взаимодействующей системы спинов в веществе и для нашего случая имеют частоты в том же интервале, что и резонатор.

В связи с этим, как указывает Г. Сул, возможны три режима работы ферритового усилителя:

1) электромагнитный, при котором в резонаторе существуют электромагнитные колебания на двух частотах toj и 0)2, а ферритовый элемент выполняет функции элемента связи между ними;

2) .магнитостатический, когда сам образец по существу является резонатором и элементом связи для колебаний на частотах o)i и 0)2, а объемный резонатор служит лишь для возбуждения на частоте сигнала одного магнп-тостатического типа колебаний и отбора выходной мощности от другого магнитостатического типа;

3) полустатический, когда один тип колебании является электромагнитным, а другой - магнитостатиче-ским, для которого резонансным контуром является ферритовый элемент- Одновременно феррит связывает электромагнитные колебания резонатора с колебаниями в образце.

Используя данные Суда [45], можно получить следующее выражение для коэффициента регенерации ао усилителя при электромагнитном режиме работы:

где Qi и Qj - добротности резонатора на частотах oji и 0)2;

лЛ, = (2я+§)(2.+й):

Я -член, учитывающий потери энергии. При р,гР*2,< возможно усиление, так как в схеме с циркулятором

(1 + о) =

(1- о) - 175 -

Таким образом, в упрощенном виде работа ферритового усилителя основана на модуляции вещественной части магнитной восприимчивости, а не на изменении нормальной населенности двух энергетических уровней, как это имеет место в квантовых усилителях. Поэтому охлаждение, приводящее в КУ к увеличению избытка населенности на верхнем уровне и к необходимому увеличению времени релаксации, здесь не является обязательным условием.

Однако, как известно, ферритовые усилихели (ФУ), функционирующие при комнатной температуре, не получили распространения в силу ряда серьезных недостатков. Из них следует отметить температурную нестабильность, повышенный уровень шумов по сравнению с ПУ при тех же условиях, необходимость применения достаточно мощных генераторов накачки. В то же время весьма ценным свойством ФУ является надежность и стойкость к воздействию сильного мешающего сигнала, выводящему полупроводниковые диоды из строя. Кроме того, по сравнению с квантовыми усилителями на парамагнитном веществе, в ФУ плотность запасаемой магнитной энергии, обусловленная большей намагниченностью, много выше (примерно в 10-10* раз).

Создание охлажденных ферритовых усилителей позволит устранить их основные недостатки и обеспечить возможность практического применения в радиотехнике.

Рассмотрим кратко возможность уменьшения температуры шума усилителя и снижения потребляемой мощности накачки. Как показано в работах [39, 40], мини-г.1альными собственными шумами при приемлемой мощности накачки обладает ФУ магнитостатического типа. Упрощенная модель такого усилителя представляет собой сферический резонатор радиусом Го, в центре которого помещен ферритовый образец в виде сферы радиусом а, много меньшим длины волны в образце, находящемся под воздействием поля с частотой накачки &) .

Как уже отмечалось, сигнальная частота coi, разностная 0)2 и соп связаны соотношением, известным из теории параметрического усиления;

0)11=0)1-1-0)2. - 176 -

В дальнейшем индексы частоты; н, / и .2 будут относиться ко всем величинам, связанным с каждой из этих частот.

Описываемый ферритовый усилитель может работать в двух режимах. Зги режимы определяются степенью связи между резонатором и ферритовым образцом, т. е. размерами образца и резонатора, рабочей частотой, параметрами феррита и резонатора- При связи меньше некоторой критической ФУ работает в так называемом режиме А, а при связи больше критической - в режиме Б. Физически эти режимы соответствуют наличию колебаний в системе из двух связанных контуров при связи большей или меньшей критической, так как при внешнем поле, равном полю ферромагнитного резонанса, ферритовый образец малых размеров ведет себя как некоторый резонатор с достаточно высокой добротностью.

Уменьшение размеров резонатора существенно улучшает характеристику ФУ. Поэтому весьма выгодно использовать резонаторы, заполненные диэлектриком с высоким значением е и малым тангенсом угла потерь. При низких, температурах многие диэлектрики обладают такими свойствами.

При рационально выбранном режиме работы ФУ основными источниками шумов являются [39, 40]:

- длинноволновые флюктуации намагниченности феррита - так называемые спиновые волны на сигнальной и разностной частотах. Коротковолновые колебания слабо связаны с полем резонатора и их влияние на шумы усилителя должно быть незначительным;

- флюктуации проводимости стенок резонатора. Другие возможные источники шумов (флюктуации

намагниченности феррита на частоте накачки и флюктуации электрической поляризации феррита) не рассматриваются, так как они незначительны в ФУ магнитостатического типа. Дело в том, что такой ФУ работает без ферромагнитного резонанса на частоте накачки, а шумы длинноволновых флюктуации намагниченности на сигнальной частоте (на частоте ферромагнитного резонанса) значительно превосходят шумы от флюктуации электрической поляризации феррита (вне резонанса).

В соответствии с этим достаточно строго решена задача по определению спектральных плотностей энергии шумов регенерированного ферритового образца и энер-