17.3. ПРАКТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ

17.3.1. Ферромагнитные материалы

В работе [434] было показано, что прецессионное движение в ферромагнитной среде может служить нелинейной или изменяющейся во времени индуктивностью, связывающей две цепи.

Рис. 17. 8. Типы ферромагнитных усилителей: а — связь за счет прецессирующего магнитного момента; б - накачка на более низкой частоте; раздельные резонаторы показаны для наглядности. (См. [214].)

Система в целом может быть исследована на основе квантовомеханического [435] или классического [426, 433] методов. Как показано на рис. 17.8, а, прецессия достигается благодаря тому, что магнитный момент находится в магнитном поле направленном по оси а к оси системы прикладывается переменное магнитное поле с частотой . Ток, протекающий в цепи сигнала, создает поле с частотой направленное по оси х, которое для удобства можно рассматривать состоящим из двух полей, вращающихся в плоскости ху с частотами Наблюдателю, связанному с моментом

прецессии, будет казаться, что эти два поля вращаются с частотами и Последнее поле возмущает установившееся прецессионное движение, причем возмущение проявляется в изменении составляющей вектора намагничивания с частотой Эти изменения индуцируют в холостом контуре токи, которые, в свою очередь, создают поле с частотой , вдоль оси которое посредством прецессии опять воздействует на цепьсигнала. Изменение условий в цепи сигнала приводит к усилению.

В разд. 8.2.3 было показано, что если феррит поместить в неоднородное высокочастотное магнитное поле, то появятся многократные пики поглощения. С каждым пиком связана определенная конфигурация поля в феррите, которая называется магнитостатическим видом колебаний. Одним из таких видов колебаний является однородная прецессия с частотой другие распределены почти непрерывно выше частоты В магнитостатическом режиме работы усилителя частота накачки выбирается равной частоте прецессии, при этом возбуждаются два добавочных магнитостатических вида колебаний с частотами Этот род работы не зависит от внешней структуры сверхвысокочастотной волны, и поэтому его реализация затруднена наличием большого числа пар видов колебаний, частоты которых в сумме дают что приводит к расходованию мощности накачки. В полустатическом режиме работы феррит помещен в полость, которая резонирует на частоте или причем вторая частота обеспечивается магнитостатическим видом колебаний. Поле выбирается таким образом, чтобы не существовало двух магнитостатических видов колебаний, сумма частот которых равнялась бы . В электромагнитном режиме работы полость резонирует на частотах а единственным видом магнитостатических колебаний является однородная прецессия с частотой

Для усиления необходимо, чтобы величина однородной прецессии, которую удобно измерять углом однородной прецессии в сферических координатах, была бы меньше порога возбуждения нагруженной цепи. Эти пороговые значения с соответствующими пояснениями приведены [433] в табл. 17.3.

Таблица 17.3 Пороговые значения для ферромагнитных усилителей

Коэффициент К будет величиной порядка а коэффициент заполнения является мерой отношения избыточной энергии

в выборке (произведение -составляющей СВЧ поля одного вида колебаний на поперечное СВЧ поле другого вида колебаний) к среднему геометрическому энергий, запасенных в двух резонансных видах колебаний. Критическое высокочастотное магнитное поле получается умножением на В работе [124] вычислены выражения для произведения полосы пропускания на коэффициент усиления.

Хотя измерения показывают [433], что магнитостатический и полустатический режимы можно получить при мощности накачки соответственно около в большинстве практических устройств используются электромагнитные виды колебаний, так как они хорошо изучены и легко наблюдаются. Экспериментально [346] была подтверждена возможность получения суммы и разности частот с помощью прецессии; в опыте использовался резонатор с резонансными частотами и Феррит имел форму диска толщиной и диаметром он вырезан из монокристалла итриево-железного граната в плоскости 110. Резонатор применялся такой, что приложенное высокочастотное магнитное поле на частоте накачки совпадало по направлению с полем на частоте сигнала. В данном случае активной составляющей прецессии с частотой накачки была та составляющая вектора намагниченности, которая перпендикулярна как к магнитному полю накачки, так и к статическому полю. Мощность накачки равнялась при этом ширина резонансной линии составляла Входная мощность сигнала равнялась а значение измеренной выходной мощности находилось в соответствии с вычисленным значением в пределах 2 дб.

На рис. 17.8, б показано одно из предложенных устройств [214], в котором электромагнитный режим использован в сочетании с низкочастотной накачкой, причем применены две холостые частоты. Можно считать, что феррит для частот накачки и сигнала расположен в резонаторе, но для холостой частоты феррит следует считать расположенным в высокочастотной длинной линии. Холостая мощность может быть подана на обычной ферритовый усилитель, где может быть получено желаемое усиление. Затем холостая частота опять смешивается с частотой накачки для воссоздания частоты сигнала. Восстановленная частота сигнала может быть введена обратно в первоначальный резонатор с фазой, нужной для полученияположительной обратной связи, т. е. регенеративного усиления.

Ферромагнитный усилитель бегущей волны [96] может состоять [445] из двух пар параллельных проводников, лежащих в перпендикулярных плоскостях. Все проводники параллельны направлению распространения (волны) и полностью погружены в ферритовую среду. Вся структура расположена в круглом волноводе, по которому распространяется волна накачки с круговой поляризацией. Перпендикулярно устройству прикладывается резонансное магнитное поле такой величины, что

Однородная прецессия, возбуждаемая накачкой, через высокочастотные магнитные поля связывается с холостой волной и волной сигнала и передает им энергию. Если высокочастотную намагниченность обозначить через то

а чистое усиление становится

Это выражение можно также записать в виде

где мощности накачки при коэффициентах усиления, соответственно равных а и нулю. Требуемая мощность может быть уменьшена за счет использования ферритов с узкой резонансной кривой, но для предотвращения нестабильности угол прецессии должен подчиняться соотношению

Для итриево-железного граната при частоте накачки Для нестабильность отсутствует; таким образом, практический коэффициент усиления становится равным 0,55 дб/см. Поле накачки равно для образца объемом требуется мощность

Вейсс [485, 486] получил полезное усиление в электромагнитном режиме в приборе, показанном на рис. 17.9. Усилитель работает в квазивырожденном режиме, при котором один и тот же резонатор служил резонансным контуром для волны сигнала и холостой волны, частота которых была равна Второй резонатор использовался для энергии накачки на Резонатор с более низкой резонансной частотой выполнялся в виде экранированной полосковой линии длиной полволны; его добротность равнялась 500; резонатор для более высокой частоты был образован отрезком прямоугольного волновода с колебаниями вида Два диска из монокристалла марганцевого феррита располагались вверху и внизу в центральной части полоски. Связь резонатора частоты сигнала и холостой частоты с внешней коаксиальной линией передачи осуществлялась посредством емкостного зонда; устройство в целом функционировало как усилитель отражательного типа или, как было показано, являлось усилителем на проходе. Для уменьшения нагрева использовался импульсный метод

подачи мощности накачки; усиление, естественно, наблюдалось только во время импульса. Когда было приложено постоянное магнитное поле под углом 45° к полосковой линии, а подача мощности накачки осуществлялась в виде импульсов длительностью

3 мксек и пиковой мощностью то на частоте наблюдались колебания мощностью Когда мощность накачки была уменьшена на 1 дб по сравнению с уровнем, требуемым для поддержания колебаний, было получено усиление 8 дб.

Рис. 17. 9. Ферритовый усилитель в электромагнитном режиме. (См.[486].)

Более хорошие результаты дает применение итриево-железного граната с шириной резонансной кривой около На частоте сигнала с пиковой мощностью накачки было получено усиление 47 дб в полосе [492]. Было обнаружено, что, как и следовало ожидать для вырожденной схемы, коэффициент усиления зависит от фазовых соотношений между сигналом и накачкой; при двух значениях сдвига фаз наблюдается нулевое усиление. Также обнаружено [196], что в диапазоне входных мощностей коэффициент усиления остается постоянным, не обнаруживая признаков насыщения. С другой стороны, коэффициент усиления сильно зависит от мощности накачки; типичные результаты, хорошо согласующиеся с теорией, приведены в табл. 17.4.

Таблица 17.4 Коэффициент усиления в зависимости от мощности накачки

В диапазоне 8—19 дб произведение коэффициента усиления на полосу пропускания было почти постоянным и равным Наполнение полости диэлектриком [537] улучшает коэффициент заполнения, соответственно уменьшая (требуемую) мощность накачки.

К другим практическим устройствам [308] относятся усилители, использующие, в частности, магнитостатический режим работы [130]. Было обнаружено, что некоторые преимущества дает использование ортогональных поляризаций [14]. В модифицированном полустатическом режиме [38] в качестве холостой частоты использована частота однородной прецессии. В этом случае необходима накачка на более высокой частоте и утрачивается преимущество возбуждения образца при резонансе. Результирующее уменьшение эффективности накачки частично компенсируется возможностью получения более высокой добротности резонатора на частоте накачки. В работе [606] приведены результаты измерений ферритовых усилителей, которые показывают, что у них довольно высокий коэффициент шума, хотя ожидалось, что шумы, определяемые третьим членом в уравнении (17.20), будут отсутствовать. Один из усилителей в магнитостатическом режиме [661] имел коэффициент шума 13 и 11,5 дб при температурах соответственно 370 и 50° из приведенных данных видно, что эти шумы по природе не являются тепловыми. До сих пор ферритовые параметрические усилители применяются очень редко из-за большой необходимой мощности накачки, однако можно ожидать, что они будут использоваться на миллиметровых волнах [579].