Квантовый парамагнитный усилитель бегущей волны Советский патент 1982 года по МПК H01S1/02 

1

Изобретение относится к области квантовой радиотехники в частности к области квантовых парамагнитных усилителей (мазеров) бегущей волны (КПУ БВ) миллиметрового диапазона длин волн, и может найти применение в радиоастрономических приемниках, в системах космической связи, а также в радиоспектрометрах миллиметрового диапазона.

Известные КПУ БВ, созданные в сантиметровом диапазоне длин волн, содержат замедляющую структуру, активный кристалл и невзаимный элемент. Достоинством таких усилителей является то, что невзаимный элемент, введенный в замедляющую систему усилителя, поглощает отраженную волну, устраняет регенеративные явления, не вносит заметного ослабления в волну, распространяющуюся в прямом направлении, делает усилитель нечувствительным к изменениям входных и выходных нагрузок

П Однако при переходе в миллиметровый диапазон длин волн размеры поперечного сечения невзаимного элемента возрастают и становятся соизмеримыми с размерами поперечного сечения замедляющей структуры.

Относительно большой объем ферритового материала и близость его к активному кристаллу приводят к значительной неоднородности внешнего статического магнитного поля, вследствие чего линия ЭПР в активном кристалле уширяется в несколько раз 5 и соответственно снижается коэффициент усиления. При переходе к коротковолновой части миллиметрового диапазона указанное явление становится серьезным препятствием для получения коэффициента усиления л; 20 дБ, что является обычным техническим требованием к КПУ БВ.

Другим полезным качеством КПУ БВ является возможность регулировки коэффициента усиления и ширины полосы усиливаемых частот (ширины полосы), чаще всего это делается с помощью искажения статического магнитного поля в той области пространства, где расположен активный

20 кристалл.

Необходимым условием для такой регулировки коэффициента усиления и ширины полосы является наличие высокого (20 дБ) начального значения коэффи25 циента усиления.

Наиболее близким техническим решением является КПУ БВ 8 мм диапазона длин волн, содержащий замедляющую структуру, нагруженную расположенными вдоль

30 нее активным кристаллом и невзаимным

Элементом в виде ферритовой пластинки, корпус с основанием и крышкой .

Основным недостатком указанного прототипа является недостаточно высокий коэффициент усиления и отсутствие возможности его увеличения.

Наличие ферритовой пластинки приводит к уширению линии ЭПР в активном кристалле в 2 и более раз, при этом коэффициент усиления (в дБ) снижается в еще большее число раз. Ниже проведен расчет с данными, реально получаемыми в эксперименте. Если активный кристалл обеспечивает усиление Ge (дБ) 74 дБ, а потери в структуре равняются L (дБ) 17 дБ, то коэффициент усиления КПУ БВ должен был бы равняться

G (дБ) - Ое (дБ) - L (дБ) 74-17 57 дБ

в предположении однородного статического поля в объеме активного кристалла. Однако при утирании линии ЭНР в два раза коэффициент усиления уже равняется

0(д,Б)(АБ)-17 20лБ,

т. е. G (дБ) снизился почти в 3 раза. При укорочении длины волны неоднородность магнитного поля в объеме активного кристалла, обусловленная наличием невзаимного элемента, возрастает, поэтому указанный эффект снижения коэффициента усиления будет еще больше.

Увеличить коэффициент усиления в прототипе при заданной конструкции (при заданной длине активного кристалла) КПУ БВ невозможно. Имеется ограиичение на длину кристалла, обусловленное тем, что при длине кристалла, превышающей некоторую величину, появляется неинвертируемый (т. е. неусиливающий) участок кристалла. При этом коэффициент усиления снижается, а шумовая температура повышается.

Кроме того, на практике необходимо иметь возможность регулировать коэффициент усиления КПУ БВ в пределах от значения Омакс (дБ) в однородном статическом поле до некоторого значения GMHH (дБ), обусловленного требованиями получения определенной полосы усиления.

Целью изобретения является обеспечение возможности повышения коэффициента усиления КПУ БВ и регулировки коэффициента усиления и полосы усиливаемых частот.

Указанная цель достигается тем, что в КПУ БВ, содержащем замедляющую структуру, нагруженную расположенными вдоль нее активным кристаллом и невзаимным элементом в виде основной ферритовой пластинки, корпус с основанием и крышкой введены три дополнительные ферритоБые пластинки таким образом, что

вместе с основной ферритовой пластинкой они расположены симметрично относительно активного кристалла коллинеарно в параллельных плоскостях.

5 Для обеспечения возможности регулировки коэффициента усиления и полосы усиливаемых частот в крышке выполнена продольная щель, в которой пара дополнительных пластин установлена с возможностью поступательного перемещения по глубине щели.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема предлагаемого КПУ БВ; на фиг. 2- схема магнитных силовых линий в замедляющей структуре с невзаимным элементом; на фиг. 3 - схема; магнитных силовых линий в замедляющей структуре с дополнительными ферритовыми пластинками; на фиг. 4--график зависимости коэффициента усиления и полосы усиливаемых частот от величины неоднородности статического магнитного поля.

Предлагаемый КПУ БВ содержит замедляющую структуру (см. фиг. 1), представляющую собой периодическую штыревую структуру 1, нагруженную активным кристаллом 2 и невзаимным элементом в виде ферритовой пластинки 3. Элементы 1, 2, 3 размещены на основании 4, которое вместе

Q. с крышкой, 5 образует корпус замедляющей структуры. Замедляющая структура нагружена дополнительной ферритовой пластинкой 6. С другой стороны периодической структуры в крышке прорезана щель 7, в

5 которой расположены еще две дополнительные ферритовые пластинки 8 и 9, размещенные на уровне активного кристалла. Пластинки 8 и 9 экранированы от СВЧ поля замедляющей структуры металлической перегородкой 10. Ферритовые пластинки 3 и 6, 8 и 9 разделены диэлектрическими прокладками 11 и 12 соответственно.

Все четыре ферритовые пластинки в поперечном сечении расположены по углам

5 прямоугольника 3-6-8-9, среднюю часть которого занимает активный кристалл 2.

Для работы предлагаемого КПУ БВ, как и прототипа, требуются источники сигнала, накачки и постоянное магнитное поле. Положительный эффект в работе предлагаемого КПУ БВ достигается тем, что размещение дополнительных ферритовых пластинок 6, 8 и 9 приводит к повышению однородности статического поля в объеме ак5 тинного кристалла, к уменьшению ширины

линии ЭПР в активном кристалле и к соответствуюшему увеличению коэффициента

усиления КПУ БВ.

На фиг. 2 и 3 показана качественная кар0 тина магнитных силовых линий в объеме

активного кристалла при наличии одного

невзаимного элемента с дополнительными

ферритовыми пластинками соответственно.

Как показали расчет и измерения, размещение дополнительных ферритовых пластинок по углам прямоугольника (в поперечном сечении) позволяет уменьшить ширину линии ЭПР активных ионов в два раза по сравнению с шириной линии ЭПР, получаемой в конструкции без дополнительных ферритовых пластин.

Регулировка коэффициента усиления и полосы усиливаемых частот достигается путем поступательного перемещения пары дополнительных ферритовых пластин 8 и 9 в продольной щели 7, что приводит к изменению величины неоднородности магнитного поля в активном кристалле.

На фиг. 4 приведены величины коэффициента усиления и полосы усиливаемых частот в зависимости от неоднородности статического магнитного ноля, определяемой по отношению ширины линии ЭНР Д Я i/a активного кристалла в неоднородном поле к ширине линии ЭПР Л // Va в однородном статическом поле.

Как видно из фиг. 4, управляя неоднородностью статического магнитного ноля, можно регулировать в КПУ БВ коэффициент усиления от величины Смаке (дБ), определяемой однородным статическим полем, до величины GMHH (дБ) (кривая 13), определяемой требованиями к чувствительности приемной системы. Полоса усиливаемых частот при этом будет изменяться от А fwHH до А fMaKc (кривая 14).

Необходимо также указать, что в предлагаемом устройстве неоднородность магнитного поля создается в поперечном, а не в продольном направлении замедляющей структуры, поэтому щумовые свойства КПУ БВ не ухудшаются.

Размещение дополнительных ферритовых пластин не ухудшает вентильных свойств невзаимного элемента 3, так как дополнительные пластины 8 и 9 экранированы металлической перегородкой 10 (фис. 1), а пластинка б приподнята в пучность электрического поля и, следовательно, приводит к дополнительному увеличению коэффициента усиления КПУ БВ, так как диэлектрическая проницаемость ферритов обычно равняется величине , что приводит к дополнительному замедлению волны в структуре,

Экспериментальные измерения, проведенные в шестимнллнметповом диапазоне длин волн с замедляющей структурой типа штыревой гребенки, нагруженной кристаллом андалузита в качестве активного кристалла, невзаимным элементом и дополнительными пластинками, выполненными из гексаферрита типа MezW показывают, что поставленная цель повышения коэффициента усиления в КПУ БВ мм диапазона решается с помощью предлагаемого изобретения.

Предлагаемое техническое решение может быть применено и в более коротковолновом диапазоне волн.

Формула изобретения

1.Квантовый парамагнитный усилитель бегущей волны, содержащий замедляющую структуру, нагруженную расположенными вдоль нее активным кристаллом и невзаимным элементом в виде основной ферритовой пластинки корпус с основанием и крыщкой, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления, введены три дополнительные ферритовые пластинки таким образом, что вместе с основной ферритовой пластинкой они расположены симметрично относительно активного кристалла коллинеарно в параллельных плоскостях.

2.Усилитель по п. I, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности регулировки коэффициента усиления и полосы усиливаемых частот, в крышке выполнена продольная щель, в которой пара дополнительных ферритовых пластин установлена с возможностью поступательного перемещения по глубине щели.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Штейнщлейгер Б. В. и др. Квантовые усилители СВЧ (лазеры). М., «Советское радио, 1971, с. 114-207.

2.Загатин В. И и др. Использование рубина в качестве активного материала для квантового парамагнитного усилителя 8 мм диапазона. Радиотехника и электроника, 1967, т. 12, № 3, с. 539 (прототип).

,.WMnJo

ин

л//,фиг.ц.