16.5.3. Газоразрядные источники шума

В качестве основы источника широкополосного сигнала с большой выходной мощностью шума [122, 265] могут использоваться газоразрядные лампы [178]. Поле, наводимое заряженными частицами, содержит все частоты с равной вероятностью и без когерентности по фазе, создавая поэтому белый шум [123, 285]. Излучение шума связано, по-видимому, с положительной колонной разряда [125]. Анализ [19, 123, 190] показывает, что шумовая температура является кинетической температурой электронов в колонне разряда. Температура электронов, в свою очередь, управляется энергией ионизации атомов газа, поэтому, как описано в разд. 18.2.1, электроны могут аккумулировать энергию, подвергаясь при этом только упругим ударам, пока они не накопят энергию ионизации. В этой точке они теряют свою энергию и процесс начинается снова. При таких условиях распределение скоростей электронов может быть немаксвелловским [381]. Так как потенциалы ионизации и возбуждения газа примерно пропорциональны, между шумовой температурой и частотой монохроматического резонансного излучения существует эмпирическая связь, определяемая формулой [123, 178, 190]

Например, ртутный разряде характеристической частотой гц дает эффективную температуру 11 400° К. Средняя температура электронов находится обычно между 1000 и 40 000° К, в зависимости от области разряда и природы газа. Считают, что сверхвысокая частота, на которой излучение отклоняется от излучения черного тела, есть функция относительной скорости столкновений электронов и атомов, и поэтому разрядные лампы применимы вплоть до очень коротких миллиметровых волн [29, 384].

Чистый аргон дает хорошую температурную стабильность; типичная лампа наполняется аргоном до давления [105] сравнивал на мощность шума на выходе с шумовой мощностью нагретой нагрузки. При токе разряда избыточный шум составляет 15,7 дб с максимальной погрешностью 0,1 дб. Подобные значения получены [88, 267] и на частоте Оказалось, что мощность шума почти не зависит от тока разряда при условии, что последний намного выше критического значения. Это значит, что нет необходимости стабилизировать источник питания и что неизбежные колебания плазмы не модулируют шум на выходе. Критический ток определяется эмпирической формулой [112]

где давление в миллиметрах ртутного столба, а внутренний

радиус лампы в сантиметрах. Средний коэффициент изменения мощности шума лампы в области составляет критический ток равен —

Кажущаяся температура, которая может быть больше температуры газа в 100 раз, пропорциональна давлению газа, и температура стенок лампы может оказывать заметное влияние на величину выходной мощности шума. Чиннок [40] исследовал влияние температуры на частоте используя восьмиваттную разрядную лампу при токе Избыточный шум составлял 15,84 дб при температуре стенок колбы, измеренной в волноводной конструкции, равной 45° С, и уменьшался выше этой температуры со скоростью Эти результаты были подтверждены на частоте экспериментами на подобной лампе [112] при токе и на 40-ваттной лампе при токе [62]. Другие измерения [179] на частоте использующие лампы при токе дали аномальные и невоспроизводимые инверсии температурного коэффициента при высоких температурах стенок колбы. Это наводит на мысль, что во избежание таких явлений лампу следует поддерживать при температуре между 40° и 50° С. При уменьшении размеров газовой лампы [29] и увеличении давления пропорционально длине волны температура электронов в области миллиметровых волн остается постоянной. Лампа, содержащая аргон под давлением при токе дает шумовую температуру 11 500° другая, содержащая неон под давлением при токе дает температуру 19 300° К. Для поддержания потерь в стекле лампы ниже 0,5 дб толщина стенок была сделана равной Шумовая температура лампы [364], наполненной неоном, на частоте была 18,2 дб относительно

В генераторе шума [209] должно использоваться соответствующее устройство связи для передачи номинальной шумовой мощности разрядной лампы в линию передачи сверхвысоких частот. Степень связи измеряется в значениях вносимых потерь; для получения максимального выходного шума они должны быть бесконечными, и если вносимые потери изменяются с частотой, то возникает отклонение от белого шума. Эффективная шумовая температура на выходной нагрузке равняется

где действительная шумовая температура лампы; температура нагрузки, которая включена в дальнем конце линии. Если предполагается, что эта нагрузка согласована и находится при комнатной температуре, то коэффициент ошибки будет

Минимальные вносимые потери в децибелах, необходимые для ограничения погрешности до заданного значения, можно вычислить по формуле

Например, для ограничения колебаний выходного шума до требуются потери 13,5 дб. Так как ослабление обычно падает до минимального значения на нижней границе диапазона частот, то расчет ведется для этой области. Погрешности могут также возникнуть, если лампа в незажженном состоянии рассогласована с входом приемника и для достижения максимальной точности следует включать согласованную нагрузку. Если это условие выполнено, затухание разрядной лампы в зажженном состоянии можно с успехом удвоить, нагружая ее на короткозамкнутую цепь.

Метод связи шумовой лампы с цепью сверхвысоких частот зависит от рабочей частоты.

Рис. 16. 29. Генератор шума на газовой лампе: а — генератор для частоты показана только половина головки; б - генератор для частоты источник связан с выходом коаксиальной лннни посредством спирали. (См. [254].)

В типичной головке для частоты 4 Ггц использовался волновод сечением и разрядная лампа, находящаяся под углом 90° в плоскости Н устройства. Лучшее согласование полных сопротивлений получалось на частоте если лампа наклонена под углом 10° к плоскости Е волновода сечением Устройство, показанное на рис. 16.29, а, предназначено для работы на частоте как видно, лампа расположена вдоль оси волновода сечением и по длине составляет несколько длин волн. КСВН на входе при наличии и отсутствии разряда равнялся соответственно 1,2 и 1,1. Для облегчения установки в монтажном гнезде должны точно выдерживаться размеры лампы по длине и хорошо центроваться концевой колпачок. Для питания таких шумовых ламп используются обычные источники питания.

На частотах и ниже удовлетворительную связь при небольших размерах можно получить с помощью гребневых волноводов или коаксиальных линий [77]. Например, в одном из широкополосных

генераторов [244] использованы двухпроводные линии, основанные на отрезках коаксиальных цилиндров; согласование с разрядом достигалось с помощью плавного изменения поперечного сечения. Одна из таких ламп, наполненная неоном под давлением длиной давала шумовую мощность 17 дб в области частот Оказалось [227, 228], что замедляющие структуры, подобные спиральным линиям, дают затухание порядка 25 дб в области частот от до Связь со спиралями использовалась [126, 251] для источников с перекрытием В другом случае [254] для частот использовалась разрядная лампа спираль с внутренним диаметром внешним диаметром при активной длине шаге намотки и расстоянии между витками обладала сопротивлением 70 ом.

На рис. показано размещение газоразрядной лампы внутри спирали. Больший конец системы нагружается на широкополосную нагрузку, состоящую из угольного сопротивления в держателе соответствующей формы, что дает КСВН лучше чем 1,1. В рабочей полосе источник шума обладает вносимыми потерями более 20 дб, КСВН меньше 1,3, холодными потерями порядка 0,3 дб и выходной мощностью примерно на 15,5 дб выше мощности теплового шума. Подобные источники работали в области частот с выходом на 70 ом и в областях с выходом на 50 ом.