СПОСОБ УСИЛЕНИЯ И ГЕНЕРАЦИИ СВЧ-КОЛЕБАНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H01J11/00 H01P7/06 

Предложенное изобретение относится к областям физики плазмы и радиофизики и может быть использовано для разработки на его принципах усилителей и генераторов электромагнитных колебаний в широком диапазоне частот.

Плазма с АОП во многом схожа с лазерами и квантовыми усилителями. Так, в квантовых устройствах наличие инверсной заселенности возбужденных состояний приводит к созданию в такой среде отрицательного коэффициента поглощения. Так и в плазме, формирование неравновесной функции распределения свободных электронов по энергиям (ФРЭЭ) может привести к наличию отрицательной проводимости, что эквивалентно отрицательному коэффициенту поглощения.

Известны способы и устройства для усиления и генерации СВЧ-колебаний, основанные на туннельном и Ганна эффектах в полупроводниках. Усиление и генерация СВЧ-колебаний обусловлены N-образной вольт-амперной характеристикой, имеющей участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Недостатками полупроводников являются малые мощности, трудность частотной перестройки, потребность в источнике электрического питания.

Известен способ и устройство для усиления и генерации СВЧ-колебаний, основанное на явлении индуцированного излучения (квантовый усилитель и генератор). В качестве рабочего вещества в данном случае используют диамагнитные кристаллы с примесью парамагнитных ионов. Недостатками квантовых устройств являются трудность создания однородных протяженных рабочих сред, узкий диапазон перестройки, необходимость источника сильного магнитного поля, для большинства охлаждение до низких температур, потребность в источнике электрического питания.

Известен способ усиления и генерации СВЧ-колебаний в фазе обрыва электрического разряда в инертных газах [1] наиболее близкий по решению технической задачи к предлагаемому изобретению, выбранный за прототип. Среда с АОП в данном случае формируется в релаксирующем слабоионизованном газе, поэтому длительность существования эффекта АОП оказывается малой порядка 3•10^-10 с (при атмосферном давлении), что является существенным недостатком для использования способа ввиду принципиальной невозможности эффективного усиления колебаний, период которых больше времени существования АОП. Недостатком способа является также потребность в источнике электрического питания.

Существует способ получения стационарной среды с АОП в фотоплазме [7] выбранный в качестве аналога, где источником накачки является оптическое излучение. В отличие от других способов [1 5] получения сред с АОП, требующих для функционирования источник электрического питания, фотоплазма с АОП способна прямо преобразовывать световую энергию в электромагнитное СВЧ-излучение.

Решение задачи о прямом преобразовании световой энергии в электромагнитное СВЧ-излучение может иметь широкую сферу технических приложений. В условиях легкодоступности светового излучения устройства на основе АОП в фотоплазме позволяет решить часто встречающуюся на практике задачу усиления и генерации СВЧ сигналов при жестких ограничениях на потребление электрической энергии (высокогорные районы, системы спутниковой связи, проведение космических исследований и т.д.).

Для реализации способа усиления и генерации СВЧ-колебаний известно устройство: регулируемый СВЧ-резонатор [8] наиболее близкое по решению технической задачи к предлагаемому изобретению, выбранное за прототип. Недостатком устройства является коэффициент усиления <1.

Целью предлагаемого изобретения является:
1. Прямое использование световой энергии оптического диапазона для усиления и генерации СВЧ-колебаний, при отсутствии источника электрического питания.

2. Расширение частотного диапазона усиления и генерации СВЧ-колебаний.

Поставленная цель достигается тем, что среду с АОП формируют непосредственно в фотоплазме, причем в качестве источника преобразуемой энергии используют оптическое излучение, а отбор СВЧ-энергии производят в СВЧ-резонаторе.

Как известно, изменение амплитуды электромагнитной волны E при прохождении через плазму происходит по закону:
E E₀•exp(-kz)
где
E₀ амплитуда входящей волны,
z путь, который волна прошла в плазме,
k коэффициент поглощения.

Можно показать [6] что при частоте поля, меньшей частоты столкновений электронов с атомами (w<v), в широком диапазоне СВЧ-частот коэффициент поглощения определяется вещественной частью проводимости X(w):
k(w) = 2πX(w)/c (2)
где
c скорость света.

Учитывая, что среда с АОП имеет X(w)<0, из (1) следует, что коэффициент поглощения становится отрицательным и прохождение электромагнитных волн в такой среде происходит с увеличением амплитуды.

Практически равномерная полоса усиления простирается от 0 до частот, близких к частоте столкновений электронов с атомами v. Верхняя граница диапазона частот связана с плотностью нейтрального газа (v N) и принципиально сверху не ограничена. Например, при атмосферном давлении буферного газа Xe она составляет величину порядка 10 ГГц.

для увеличения эффективного пути взаимодействия электромагнитной волны со средой, кювету с фотоплазмой помещают в СВЧ-резонатор.

Динамический диапазон плазменных СВЧ устройств может быть на несколько порядков выше полупроводниковых и квантовых аналогов. Порог чувствительности определяется уровнем шумов, спектр которых в условиях слабоионизованной плазмы носит сплошной характер с максимумом спектральной плотности в области плазменной частоты W₀ 5,64•10⁴•n^1/2, где n - концентрация электронов [9] Насыщение усилительных свойств плазмы с АОП определяется приведенным значением напряженности электрического поля и зависит от выбора среды. Например, по расчетам [5] указанная величина составляет порядка 20 В/см при атмосферном давлении Xe.

Для реализации режима генерации СВЧ-колебаний необходимо кювету с фотоплазмой, имеющей АОП, поместить в высокодобротный СВЧ-резонатор. Из всего спектра шума резонатором будут выделяться лишь резонансные для него частоты и амплитуды колебаний этих частот будут расти.

Для получения фотоплазмы с АОП внутри СВЧ-резонатора последний должен быть прозрачным для излучения оптического диапазона.

Источником преобразуемой энергии является оптическое излучение, спектральные характеристики которого определяются составом газовой смеси и могут изменяться от ИК до УФ диапазона. Коэффициент преобразования световой энергии в СВЧ зависит от характерного размера газовой ячейки с фотоплазмой и может достигать нескольких десятков процентов при радиусу кюветы порядка 5 см.

Возбуждение резонатора и отбор СВЧ-энергии осуществляют стандартными для СВЧ методами: через щель, петлю либо штырь, в зависимости от диапазона частот и моды резонатора.

Предложенный способ усиления и генерации СВЧ-колебаний реализуется с помощью устройства, конструкция которого, например, для моды НО11 изображена на чертеже.

В прозрачный для оптического, но высокодобротный для СВЧ излучения, СВЧ-резонатор (1) помещена газовая кювета (ячейка) (2) с газовой смесью. Под действием оптического излучения (3) в газовой смеси образуется фотоплазма с АОП, являющаяся рабочей средой. На рисунке не показана система возбуждения и отвода энергии СВЧ-колебаний. Как отмечено выше, это может осуществляться стандартными для СВЧ-диапазона методами.

Для конструкции резонатора для реализации способа усиления и генерации СВЧ-колебаний можно сформулировать следующие требования:
1. Прозрачность резонатора для оптического излучения в нужном, для создания фотоплазмы с АОП, диапазоне;
2. Непрозрачность резонатора в СВЧ-диапазоне для достижения высокой добротности в этой области частот.

Таким образом, как форма резонатора в виде цилиндра, так и форма и количество отверстий для оптического излучения при реализации способа не принципиальна.

Отличие предлагаемой заявки от использованных прототипов заключается в том, что:
1. Среду с АОП формируют непосредственно в фотоплазме;
2. Оптическое возбуждение производят облучением газовой смеси в газовой ячейке, помещенной в СВЧ-резонатор;
3. Отбор СВЧ-энергии производят в СВЧ-резонаторе;
4. В качестве источника энергии используют оптическое излучение;
5. Коэффициент усиления >1 (достигается созданием среды с АОП);
6. Возможно использовать резонатор не цилиндрической формы;
7. Возможно использовать резонатор с отверстиями для оптического излучения отличными от щелевидных.

Технико-экономическое обоснование:
1) Большие на 1 2 порядка, по сравнению с полупроводниками, напряжения;
2) Коэффициент усиления зависит от состава смеси и в настоящее время сравним с коэффициентом усиления квантовых усилителей;
3) Для практического применения может оказаться важным:
а) использование в качестве источника энергии свет ИК, видимого и УФ диапазонов;
б) простота создания однородных, протяженных рабочих сред в газовой фазе по сравнению с твердотельной электроникой, что в конечном итоге определяет максимальный коэффициент усиления;
в) автоматическое восстановление рабочих характеристик плазменной среды после нештатных пробоев, замыканий;
г) отсутствие необходимости охлаждения до сверхнизких температур и присутствия сильного внешнего магнитного поля в отличие от парамагнитных усилителей.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с мировым уровнем техники, заключается в том, что существенным образом увеличивает возможности дальнейшей реализации предлагаемого изобретения при разработке генераторов и усилителей в широком диапазоне частот, а также преобразователей световой энергии в энергию СВЧ-колебаний.

Предлагаемый способ может быть коммерчески реализован на национальном и мировом рынках.

Литература
1. Рохленко А. В. Абсолютно отрицательная проводимость в релаксирующем слабоионизованном газе. ЖЭТФ, т. 75, вып. 4(10), 1978, с. 1315 1320 (прототип).

2. Warman J.M. Sowadw U. De Haas M.P. Transient negative mobility of hot electrons in gaseous xenon. Phys. Rev. 1985, v. 31, N 3, p. 1974 - 1976.

3. Головинский П.М. и Щедрин А.И. Абсолютная отрицательная проводимость в несамостоятельном разряде в инертных газах. Письма в ЖТФ, т. 12, вып. 19, 1986, с. 1162 1166.

4. Дятко Н.А. Кочетов И.В.и Напартович А.П. К вопросу об абсолютной отрицательной проводимости низкотемпературной плазмы. Письма в ЖТФ, 1987, т. 13, вып. 23, с. 1457 1461.

5. Швейгерт В.А. Об отрицательной проводимости слабоионизованного газа.

Физика плазмы, т. 14, вып. 6, 1988, с. 745 748.

6. В. Е. Голант Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы. М. Наука, 1968.

7. Блашков В.И. Золотарев О.А.и Скребов Б.Н. Решение о выдаче охранного документа патентной экспертизы от 27.02.92 г. по заявке N 4940088(044770) "Способ получения отрицательной проводимости в газовой ячейке" от 23.05.91
8. Блашков B.И. Золатарев О.А. и Скребов В.Н. Авторское свидетельство N 4847180/09/073195 "Регулируемый цилиндрический СВЧ-резонатор", 1992 (прототип).

9. СВЧ излучение низкотемпературной плазмы, под ред. A.E. Башаринова. M. Сов. радио, 1974.

Изобретение относится к областям физики плазмы и радиофизики и может быть использовано для разработки усилителей и генераторов электромагнитных колебаний в широком диапазоне частот. Предлагаемые способ и устройство позволяют непосредственно преобразовывать энергию оптического излучения ИК, видимого и УФ диапазонов в энергию СВЧ-колебаний, при отсутствии источника электрического питания. В предлагаемых способе и устройстве не требуется охлаждения до сверхнизких температур и присутствия сильного внешнего магнитного поля. После нештатных пробоев, замыкания - автоматическое восстановление рабочих характеристик. Напряжения, получаемые на выходе предлагаемого устройства, превышает на 1 - 2 порядка показатели полупроводниковых устройств. Коэффициент усиления в настоящее время сравним с коэффициентом усиления квантовых усилителей. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ усиления и генерации СВЧ-колебаний, заключающийся в формировании среды с абсолютной отрицательной проводимостью и отборе СВЧ-энергии, отличающийся тем, что среду с абсолютной отрицательной проводимостью формируют непосредственно в фотоплазме, причем в качестве источника преобразуемой энергии используют оптическое излучение, а отбор СВЧ-энергии производят в СВЧ-резонаторе. 2. Устройство для усиления и генерации СВЧ-колебаний, содержащее газовую ячейку, размещенную в СВЧ-резонаторе, прозрачном для оптического излучения, и устройство отвода СВЧ-энергии, отличающееся тем, что в газовой ячейке в качестве среды используют фотоплазму с абсолютной отрицательной проводимостью.