книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ

длины волны, то получается квадрат суммы напряжен­ ностей полей, создаваемых единичными электронами. Когерентное излучение дает поэтому в сравнении с некогереитным излучением увеличение интенсивности в миллионы раз. Необходимости очень хорошей фокуси­ ровки сгустков для осуществления когерентного излу­ чения способствуют релятивистские скорости электронов при высоких напряжениях пучка. За счет лоренцевского сокращения электронные сгустки сжимаются при реля­ тивистских скоростях в направлении движения, сжатие

определяется величиной 1 — (52 (рис. 43,6). При этом для выполнения условий когерентности желательно иметь как можно более высокие скорости пучка. Энер­ гия, излучаемая электронным пакетом при скоростях,

диаграмма излучения приближается к диаграмме излу­ чения обычного диполя (рис. 43,в).

Теоретически с помощью ондулятора могут быть до­ стигнуты импульсные значения мощности в субмилли­ метровом диапазоне до 1 кет. Экспериментально же уда­ валось получать мощности лишь порядка 1 вт при КПД около 1%. Трудности заключаются прежде всего в том, что при очень коротких волнах чрезвычайно сложно до­ биться выполнения условий когерентности.

б) Торнадотрон

Близким по принципу действия к ондулятору яв­ ляется генератор субмиллиметровых волн — торнадотрон (рис. 44). В процессе возбуждения в нем можно разли­ чать три этапа. На первом этапе (рис. 44, а) благодаря соответствующему изменению во времени распределения потенциала в цилиндрической системе электродов и в продольном магнитном поле формируется электронный пакет в форме стержня. На следующем этапе (рис. 44,6) этот электронный сгусток ускоряется между двумя полу­ цилиндрами, между которыми приложено СВЧ-поле с частотой, равной циклотронной ц)с=еВ/т., сгусток рас­ кручивается по спиральной траектории, как в цикло­ троне. Независимо от этого электронный сгусток вра­ щается еще и с ларморовской частотой <nL=eB/2m вокруг своей оси. Как только сгусток достигает

71

максимального удаления от оси цилиндра, включается импульс сильного магнитного поля (напряженностью порядка Ю5 гс), направленного вдоль оси. В результате

о)

поля

б)

Рис. 44. Ториадотрон:

а — фаза формирования; б —фаза накачки; в — фаза излучения.

повышается частота вращения электронов по спираль­ ным траекториям и вместе с этим в еще большей сте­ пени увеличивается вращательная энергия сгустков. Частота вращения электронных сгустков по спиральным траекториям повышается пропорционально напряженно­ сти магнитного поля В, в то время как радиус траекто­ рии уменьшается как (1/В)~Ч*. Электронные сгустки прижимаются к оси цилиндра и при этом излучают на частоте, соответствующей частоте их вращения

72

(рис. 44,в). Это излучение направлено тангенциально к спиральным траекториям. Достигаемая мощность СВЧ, если пренебречь потерями за счет наводимых в цилиндре токов, пропорциональна третьей степени напряженности импульсного магнитного поля. Как и в ондуляторе, до­ стижение названных значений мощности возможно толь­ ко в том случае, если электроны внутри каждого сгустка излучают когерентно. Диаметр стержнеобразного элек­ тронного сгустка должен быть мал по сравнению с диаметром его спиральной траектории. Теория торнадотрона показывает, что при выполнении этих предпо­ сылок может быть получена в субмиллиметровом диапа­ зоне волн СВЧ-мощность порядка 1 кет. Эксперимен­

лом цилиндрическом резонаторе на его резонансной частоте, то это может привести к селективному по ча­ стотам возрастанию мощности.

в) Черепковский генератор

Третья возможность получения сверхкоротких волн за счет излучения электронов предоставляется эффектом Черенкова. Эффект Черенкова возникает в том случае, если электроны пролетают через диэлектрическую среду или над поверхностью этой среды со скоростью v, кото­ рая больше фазовой скорости распространения электро­ магнитных волн в этой среде Уф*). Итак, должно быть v > v $ —c при этом диэлектрическая проницаемость среды е>1. Это требование должно выполняться во всей области электромагнитного спектра, за исключе­ нием рентгеновского и ультрафиолетового излучения. Черенковское излучение получается благодаря взаимо­ действию между движущимся электроном и молекулами среды. Излучение не монохроматично и обладает целым спектром частот. Энергия соответственно распределена по этому спектру, так что излучаемая СВЧ-мощность, относящаяся к малой области частот, естественно мала.

*) Аналог эффекта Черенкова получается тогда, когда самолет проходит звуковой барьер. При этом возникает ударная волна, рас­ пространяющаяся по тем же закономерностям, что и излучение в слу­ чае эффекта Черенкова.

73

Чтобы увеличить мощность излучения в узкой области спектра, необходимо сгруппировать электроны в коге­ рентно излучающие пакеты. Это может быть сделано, как и в рассматривавшихся ранее генераторах, путем модуляции электронного пучка по скорости некоторым сверхвысокочастотным полем; затем возникает череп­ ковское излучение, частота которого является гармони­ кой частоты модулирующего СВЧ-поля.

В качестве диэлектрической среды для возбуждения черенковского СВЧ-излучения можно рассматривать сре­ ди прочих анизотропные ферриты [9]. Имеющиеся дан­ ные, однако, пока не представляются многообещаю­ щими. В области сантиметровых волн была достигнута СВЧ-мощность около 1 вт\ в сравнении с генераторами, основанными на пролетных эффектах, этот уровень очень мал. Для области субмиллиметровых волн, в которой генератор на эффекте Черенкова был бы практически интересен, он вообще еще не реализован. До сих пор вышеуказанный метод не приобрел значения как способ получения сверхкоротких волн. Остается ждать, будет ли заполнен пробел в наличии источников интенсивного излучения для этого диапазона волн.

7. Генераторы гармоник

Благодаря применению полупроводниковых диодов можно создавать умножители частоты на малую мощ­ ность для области субмиллиметровых волн. Основную частоту, подлежащую умножению, дает отражательный клистрон. Конструкция одного из генераторов гармоник для Я=2 мм показана на рис. 45. В один из двух волно­ водов подается волна основной частоты, возбуждающая благодаря нёлинейной вольтамперной характеристике включенного туда полупроводникового диода СВЧ-ток более высоких частот. Этот ток через маленькую ан­ тенну, связывающую оба волновода, возбуждает во вто­ ром волноводе волны с соответствующими частотами. Но распространяться во втором волноводе могут только волны, соответствующие желаемым гармоникам, по­ скольку предельная длина волны для этого волновода выбирается так, чтобы волна основной частоты в нем не передавалась. С помощью таких генераторов гармоник (умножителей) могут быть получены волны с длиной до

74

Годы. На рис. 46 приведен пример квазйстационарного LC-контура, емкость которого может изменяться за счет изменения расстояния между пластинами конденсатора. В контуре могут существовать слабые колебания. Если при этом обе пластины мгновенно раздвинуть в тот мо­ мент, когда напряжение на них достигает максималь­ ного положительного значения, то емкость уменьшится

д) T _ n J T J l J l J - L r L r U

Рис. 46. Параметрическое усиление:

а —принципиальная схема; б —ход изменения напряжения на емкости коле­ бательного контура при накачке; в —изменение емкости в процессе накачки.

и напряжение на пластинах возрастет. При раздвижении пластин (уменьшении емкости) необходимо совер­ шить работу против сил существующего между пласти­ нами и притягивающего их электрического поля. Таким образом, дополнительная энергия «подкачивается» в ко­ лебательный контур, что проявляется в усилении коле­ баний. В тот момент, когда переменное напряжение проходит через нуль, пластины могут быть сдвинуты на исходное расстояние. Так как при этом переменное на­ пряжение не создает между пластинами электрического поля, то энергия колебаний не возрастает и не умень­ шается. В момент максимального отрицательного на­ пряжения пластины вновь раздвигаются. При этом опять совершается работа. Вновь подкачивается энергия в ко­ лебательный контур и еще усиливаются колебания. Если изменение расстояния между пластинами конденсатора производить в указанные выше моменты времени, то за счет такой «накачки» электромагнитная энергия колебательного контура будет в среднем возрастать, а существующие колебания будут усиливаться.

7 6

Если пытаться таким способом усиливать сверхвы­ сокие частоты, то, естественно, уже нельзя воспользо­ ваться механической накачкой. Чаще всего применяют нелинейные реактивные элементы, параметры которых периодически меняются переменным напряжением. Не­ линейными реактивными элементами являются в основ­ ном некоторые виды полупроводниковых диодов, так

го сигнала fs вдвое меньше ча­

стоты накачки (/> = 2fs),TO электромагнитная мощность из цепи накачки передается в цепь сигнала и на частоте сигнала происходит усиление. При этом предполагается, что переменные напряжения Up и Us находятся в пра­ вильных фазах друг относительно друга. Усиление фор­ мально можно связать с наличием отрицательного со­ противления, которое образуется за счет действия пере­ менного напряжения Up источника накачки, о такой схеме говорят, как о параметрическом усилителе с от­ рицательным сопротивлением.

На практике условие fp= 2fs не выполняется, по­ скольку и частота, и фазовые соотношения не могут оставаться строго постоянными в течение более или ме­ нее длительного времени. Однако можно показать, что усиление достигается и в том случае, когда частота на­ качки и частота сигнала не связаны точным отноше­ нием, если только выполняются определенные условия.

В общем виде поведение нелинейного реактивного элемента в качестве параметрического преобразователя частоты и мощности описывается соотношениями Менлн — Роу, которые связывают среднюю активную

77

мощность, подводимую к нелинейному элементу и от­ даваемую им, с величиной мощности на соответствую­ щей частоте.

Соотношение частот fp= 2fs уже не будет иметь зна­ чения, если подключить еще один колебательный кон­ тур, настроенный на так называемую «холостую» ча­

где Pp, Ps, Pi, — мощности на частотах fP, fa и f*. Поло­ жительные значения соответствуют здесь мощности, ко­ торая отводится из системы, отрицательные — мощности, которая поглощается системой.

Рис. 48. Принципиальная схема параметри­ ческого усилителя с контуром на холостой частоте f i = f p — fs-

На рис. 48 показана блок-схема параметрического усилителя, который работает в соответствии с упоми­ навшимися условиями. Включая в схему невзаимные элементы, можно обеспечить передачу электромагнитной мощности в указанных направлениях.

Холостой контур может быть также настроен и на частоту fi—fp+fs- В этом случае мы имеем дело с пре­ образователем частоты (рис. 49).

Соотношения Менли — Роу выглядят теперь так:

(55)

Ps Рр

17 + 17

78

Усиление мощности определяется формулой

Механизм накачки вносит в контур сигнала положитель­ ное сопротивление. Чтобы при высоких частотах сиг­ нала получить достаточное усиление, необходима, как

Рис. 49. Принципиальная схема преобразова­ теля частоты (upconverter) h — + fs-

это видно из формулы (56), еще более высокая ча­ стота накачки, причем в то же время мощность накачки должна быть достаточно большой.

9. Молекулярный усилитель (мазер)

Чрезвычайно ценным развитием области малошумящих усилителей явилось создание молекулярного усили­ теля или «мазера» (microwave amplification by stimu­ lated emission of radiation). Процесс усиления основан здесь на взаимодействии между сверхвысокочастотными полями и внутренней энергией материи; он принципи­ ально отличается от всех других механизмов. Согласно квантовой механике, внутренняя энергия материи (ато­ ма, молекулы или иона) существует всегда только в виде дискретных энергетических состояний (энергети­ ческих уровней), расстояние между которыми

через постоянную Планка h связано с некоторой спе­ цифической частотой f. Если на материю действует

79

высокочастотное переменное поле, частота которого удов­ летворяет соотношению (57), то между внутренней энер­ гией материи и этим полем происходит взаимодействие, которое приводит к переходу между энергетическими уровнями Еп и Ет. В основном возможны следующие случаи.

1.Может осуществиться переход с нижнего уровня Ет на более высокий уровень Еп. При этом процессе поглощается электромагнитная энергия переменного поля. Поглощенная энергия соответствует кванту излу­ чения величиной /г/.

2.Возможен переход с верхнего уровня Еп на ниж­ ний уровень Ет, причем без воздействия переменного электромагнитного поля; в таком случае говорят о спон­ танном излучении. При этом выделяется энергия излу­ чения. Отдельные атомы, молекулы или ионы могут излучать независимо друг от друга, в соответствии со статистическими закономерностями.

3.В случае вынужденного (стимулированного или индуцированного) излучения возможен переход с верх­ него уровня Еп на нижний Ет под действием перемен­ ных полей. В противоположность упоминавшемуся выше случаю спонтанного излучения отдельные атомы, ионы или молекулы излучают электромагнитную энергию в фазе с «вынуждающим» переменным полем. Переход между энергетическими состояниями в каждом отдель­

ном атоме, ионе или молекуле совершается синхронно с воздействующим полем. Поэтому выходящее излуче­ ние оказывается фазовокогерентным. На этом механизме основан принцип действия молекулярного усилителя.

Вероятность того, что будет иметь место переход с верхнего уровня Еп на нижний Ет (испускание излуче­ ния) точно такова, как и вероятность перехода в обрат­ ном направлении (поглощение излучения). Чтобы в среднем, однако, было больше переходов с верхних на нижние уровни, чем в обратном направлении (только в этом случае будет достигнут эффект усиления), не­ обходимо обеспечить большее заселение верхних уров­ ней по отношению к нижним. В случае термодинамиче­ ского равновесия всегда нижние уровни заселены боль­ ше верхних. Это состояние материи описывается форму­ лой распределения Больцмана, в соответствии с которой числа Л <?/Г2> о/Гз, характеризующие населенность

80