книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ

больше, чем верхний. Если на эту систему воздейство­ вать высокочастотным переменным полем («накачка») с частотой fi3, которая соответствует разности энергий

кристалл другим переменным полем (сигналом) с ча­ стотой f23, которая соответствует разности энергий

той сигнала усилится. Материя, приведенная в неравно­ весное состояние с плотностью населенности оАГъ> о/^°2, относительно электромагнитного поля частоты сигнала обладает свойствами отрицательного сопротивления (от­ рицательного затухания).

С точки зрения технического исполнения различают два типа молекулярных усилителей. В так называемом отражательном мазере парамагнитный кристалл поме­ щен в резонаторе, который настроен как на частоту на­ качки, так и на частоту сигнала; пример такого мазера приведен на рис. 51 [10]. Кристалл, находящийся в со­ суде Дюара, который наполняется охлаждающим веще-

82

ством, помещен между полюсами магнита; к нему одно­ временно подводятся как высокочастотное магнитное поле сигнала (частота 2800 Мгц), так и поле с часто­ той накачки (9400 Мгц). Название «отражательный ма­ зер» связано с тем, что переходящая в резонатор по тракту сигнала волна (на частоте сигнала) после ее усиления отражается. Поэтому в приемнике с таким

Рис. 51. Вид (в разрезе) отражательного молеку­ лярного усилителя.

мазером идущая к резонатору и обратная волны долж­ ны быть отделены друг от друга. Для этого служат не­ взаимные элементы тракта в виде циркулятора и вен­ тиля. Принципиальная схема такого приемника пред­ ставлена на рис. 52. Сигнал, принятый антенной, через циркулятор направляется в молекулярный усилитель. Усиленная отраженная волна возвращается в циркуля­ тор и затем проходит через вентиль в приемник. Волна, отраженная из-за неидеального согласования от входа приемника, благодаря вентилю не сможет пройти в сто­ рону усилительной цепи.

В молекулярных усилителях на твердом теле, ко­ торые называются мазерами бегущей волны, усили­ вающее вещество располагается вдоль некоторого

волновода. В его задачу входит замедление групповой скорости распространяющегося СВЧ-поля настолько, чтобы электромагнитное поле сигнала на относительно

■Молекулярный

усилитель

Рис. 52. Принципиальная схема приемного устройства с отражательным молекуляр­ ным усилителем.

Рис. 53. Конструкция молекулярного усилителя бегущей волны (фирма «Белл»),

малой длине линии достаточно длительное время взаи­ модействовало с парамагнитными ионами вещества. На рис. 53 показан разрез одного такого молекулярного усилителя бегущей волны [11]. В нем используется пря­

84

магнитного поля) примерно на 350 Мгц. На рис. 54 вос­ произведен внешний вид экспериментального молеку­ лярного усилителя такого типа [12].

Важнейшим свойством молекулярных усилителей яв­ ляются чрезвычайно низкие собственные шумы; такой уровень не достижим ни для какого другого усилителя. Минимально возможный коэффициент шума опреде­

где h — постоянная Планка, k — постоянная Больцмана. На частоте f=1000 Мгц в соответствии с этим будет 7^=0,48° К. Однако наименьший уровень шума, достиг­ нутый в молекулярных усилителях, оказывается в дватри раза выше. Практически минимальное значение коэффициента шума определяется шумами составных элементов всего устройства. Как источник шума прежде всего выступает участок тракта от антенны до молеку­ лярного усилителя, вносящий в сигнал некоторое зату­ хание (сюда входят и потери в циркуляторе). Для того чтобы полностью использовать чрезвычайно высокую чувствительность молекулярного усилителя, необходимо свести к минимуму потери в антенном тракте и, сле­ довательно, сделать его как можно короче. Поэтому мо­ лекулярные усилители стараются устанавливать непо­ средственно в фокусе зеркала приемной антенны.

10. Лазер

Используемый в мазере принцип вынужденного из­ лучения может быть также применен для получения ко­ герентного излучения в инфракрасной, видимой и ульт­ рафиолетовой областях электромагнитного спектра. В та­ ком генераторе, который называется «лазер» (light amplification by stimulated emission of radiation) вме­ сто объемного резонатора, применяемого в технике сан­

усиливающей, активной лазерной средой.

Как и в мазере, атомы лазерной среды, для того чтобы они могли излучать, должны быть предваритель-

8 6

но с помощью процесса накачки «подняты» на верхний энергетический уровень. Под действием поля устанав­ ливающейся между отражающими пластинами резона­ тора стоячей световой волны происходят фазовокогерент­ ные квантовые переходы в атомах активной среды, усиливающие начальное световое возбуждение. Излуче­ ние может выходить из резонатора через оба торцовых зеркала *) в виде узкого светового пучка. В то время как для усиления сверхвысоких частот применяются почти исключительно только рубиновые мазеры, для возбуждения лазерного излучения подходят еще и дру­ гие твердые тела, полупроводники, газы и жидкости.

В лазере на твердом теле усиливающая среда пред­ ставляет собой стержень из кристалла или стекла, в который введена добавка из собственно активного ла­ зерного вещества. В качестве лазерных кристаллов осо­ бое внимание обращают на себя кристаллы окиси алю­ миния с добавками хрома (рубин) или вольфрамат кальция, содержащий неон. Процесс накачки в твердо­ тельных лазерах обеспечивается облучением некогерент­ ным светом от специального источника (ксеноновые лампы). Оба зеркала, образующие резонатор, в боль­ шинстве случаев наносятся непосредственно на торцы кристаллического стержня. Вследствие высокой концен­ трации активных атомов в лазерном кристалле с по­ мощью таких твердотельных лазеров можно получать мощности излучения в импульсном режиме порядка мегаватт. Эти лазеры представляют интерес с точки зрения проблемы локации и связи на очень больших расстояниях в мировом пространстве.

Для газовых лазеров в качестве усиливающей среды подходят благородные газы — неон, аргон, криптон и ксенон, а также гелиево-неоновая смесь. Здесь газы переводятся в состояние с возбужденными энергетиче­ скими уровнями не световым излучением накачки, а с помощью электрического разряда. В гелиево-неоновом лазере атомы гелия возбуждаются ударами электронов и относительно длительное время излучают. При этом они передают энергию атомам неона, которые в свою очередь испускают световые кванты и порождают

*) Оба зеркала, а чаще одно из них, делаются полупрозрач­ ными (Прим, перев.).

87

IV

АНТЕННЫ

1. Основные понятия и определения

Для всех видов линий беспроволочной радиосвязи и для большинства радиолокационных и радионавигацион­ ных систем нужны направленные антенны. Они излу­ чают энергию преимущественно в каком-то одном опре­ деленном направлении и, соответственно, могут прини­ мать излучения, приходящие по тому же направлению. Размеры направленных антенн, как правило, должны быть большими по сравнению с длиной волны. Это тре­ бование в технике сверхвысоких частот выполняется даже для довольно портативных антенн.

Свойства направленной антенны определяются ее так называемым «выигрышем»*), диаграммой направленно­ сти и шириной полосы частот. Выигрышем антенны на­ зывается отношение мощности, излучаемой антенной в главном направлении через единицу поверхности, к мощ­ ности, которая проходит через ту же поверхность в том случае, когда антенной является изотропный (шаровой) излучатель (мощность генератора, питающего антенны, в обоих случаях считается одинаковой). Вместо шаро­ вого излучателя для сравнения проще использовать основные направления излучения элементарного диполя (диполь Герца).

Решающим фактором с точки зрения получения наи­ большего выигрыша антенны является форма диаграм­ мы направленности. Она дает относительную зависи­ мость напряженности поля или напряжения на входе приемника от угла, на который поворачивается пере­

89

антенна при вращении вокруг передающей. Наиболь­ шее значение напряженности поля принимается при этом за единицу. Диаграмма направленности в горизон­ тальной плоскости называется «горизонтальной диа­ граммой» (по азимутальному углу ср), в вертикальной плоскости — «вертикальной диаграммой» (по углу ме­ ста О). Обычно диаграмму направленности стараются сделать такой, чтобы поблизости от основного макси­ мума (главный лепесток) было по возможности мало побочных максимумов (боковых лепестков) и они были бы слабыми; это необходимо для того, чтобы поток энергии не распространялся в нежелательных направле­ ниях и не снижалось значение выигрыша антенны. Ме­ рой направленности в какой-либо заданной плоскости является полуширина диаграммы. Это угол по обе сто­ роны от основного направления излучения, при котором излучаемая или принимаемая мощность оказывается вдвое меньшей, чем в основном направлении.

Третьей величиной, характеризующей свойства ан­ тенны, является ширина полосы. Говорить о широкополосности антенны имеет смысл только тогда, когда осу­ ществлено хорошее согласование антенны с питающим или соединительным трактом (согласование их волно­ вых сопротивлений). Антенна является широкополосной, если ее диаграмма направленности и ее входное сопро­ тивление в пределах некоторой заданной области частот остаются почти неизменными. Поскольку электрические свойства антенны зависят от частоты, то точное согласо­ вание входного сопротивления антенны с линией, соб­ ственно говоря, может быть достигнуто лишь в беско­ нечно узкой полосе частот.

2. Параболические антенны

а) Параболоиды вращения

Чаще всего применяемыми в технике СВЧ-направ- ленными антеннами являются параболические антенны (рис. 55). В простейшем случае они представляют собой зеркало в форме параболоида вращения, сделанное из легкого сплава. В качестве излучателя может служить помещенный в фокусе зеркала полуволновый диполь или рупорная антенна. Если возбудителем является ди­

90