17.6.3. Усилители бегущей волны

Активный материал, помещенный в системе с бегущей волной, может вводить эквивалеотное отрицательное сопротивление, так что образуется распространяющаяся волна с экспоненциально

нарастающей амплитудой. Коэффициент нарастания волны равен [37, 72]

Общий коэффициент усиления по мощности для структуры длиной I равен и если предположить, что что обычно бывает на практике, то с помощью уравнения (17.106) получаем следующее выражение для логарифмического коэффициента усиления:

Полоса пропускания мазера бегущей волны уменьшается по мере увеличения коэффициента усиления вследствие экспоненциального характера усиления. Величина, обратная достигает максимума на частоте, резонансной для перехода сигнала, и спадает при удалении от нее по закону, определяемому коэффициентом формы выражения Для полосы пропускания получено выражение

где значения берутся на частоте Если, как и ранее, предположим, что то выражение для полосы пропускания по уровню 3 дб принимает вид

где коэффициент усиления в децибелах. На рис. 17.22, а приведен график отношения в зависимости от коэффициента усиления, причем предполагается, что значения такие же, как у резонаторного мазера. Нетрудно видеть, что полоса пропускания мазера бегущей волны превосходит полосу резонансного мазера, особенно при больших коэффициентах усиления. Чувствительность усиления определяется величиной а из рис. 17.22, б следует, что и в этом отношении мазер бегущей волны имеет преимущество [127].

Исследование уравнения (17.107) показывает, что при данном общем коэффициенте усиления длина структуры уменьшается с уменьшением групповой скорости; это происходит по той причине, что становится более эффективной связь между высокочастотным полем и парамагнитными спинами. На миллиметровых волнах достаточно низкая групповая скорость может быть получена в результате заполнения волновода материалом с мазерными свойствами, так чтобы В мазерах сантиметрового диапазона коэффициент замедления должен быть порядка 50—100, и поэтому они нуждаются

в замедляющих структурах. Так как в материале мазера переходы происходят по существу для сигнала с круговой поляризацией, то использование структур, имеющих конечные области, соответствующие правильному знаку круговой поляризации, дает возможность получить однонаправленное усиление. Для распространения в противоположном направлении связь между спинами и высокочастотным полем будет отсутствовать и коэффициент усиления равен нулю. Дальнейшее усовершенствование может быть достигнуто за счет введения магнитного материала, расположенного таким образом, что поглощается только обратная волна.

Рис. 17. 25. Мазер бегущей волны на твердом теле: я — меапдровая замедляющая структура; б - распределение пыеокочастотного магнитного поля; в — поперечное сечение структуры; г - общий вид мазера для частоты (См. [90, 1 27].)

Поглощающий материал может быть парамагнитным при условии, что тепловое равновесие не нарушается за счет мощности накачки, или же ферромагнитным.

Одной из возможных замедляющих структур является линия типа меандр. Если линия намотана из тонкой проволоки, то диаграмма имеет вид, показанный пунктирной линией на рис. 17.25, а; результаты действия геометрического замедления на одинаковы. Диаграмма для тонкой ленты с узкими поперечными чередующимися щелями показана сплошной линией. Достаточные коэффициенты замедления достигаются при использовании изолирующего слоя на медной подложке, при этом можно получить значение коэффициентов 50 и 100 для диапазона частот соответственно 50 и 25%. Распределение высокочастотного магнитного поля в поперечном сечении такой структуры показано на рис. где сплошная и пунктирная линии относятся к разным знакам круговой поляризации. Поле в центре поляризовано линейно, по мере удаления от оси поляризация в плоскости поперечного сечения постепенно переходит в круговую. Амплитуда поля становится незначительной при удалении на расстояние, равное двум-трем поперечным размерам. При использовании рубина с температурой 1,6° К, расположенного на одной

из сторон линии, и частоте накачки линия длиной 4,3 см давала [90] на частоте усиление 10 56 с полосой пропускания поле величиной было ориентировано под углом 90° к оси с кристалла. Замедляющая структура расположена в прямоугольном волноводе, вдоль по которому распространяется мощность накачки в виде быстрой волны.

Гребенчатая структура, показанная на рис. 17.25, в, была применена в первой удачной конструкции мазера бегущей волны для [127]; устройство в сборке с входными и выходными зажимами показано на рис. 17.25, г. В одном из образцов, использующем этилсульфат гадолиния, легированный величина при 1,6° К составляла 170, коэффициент усиления был равен 4,774 дб/см, а ширина резонансной линии материала составляла

Другой мазер, использующий 0,05% давал общее прямое усиление 23 дб и общие обратные потери 29 дб в структуре длиной причем полоса пропускания составляла Гребенчатая структура была также применена [438] на частоте при использовании рубина с ориентацией структура, состоящая из 100 секций, давала усиление 10 дб в полосе частот причем температура ванны составляла 4,2° К. Для обеспечения высокой степени взаимности с одной стороны гребенки был расположен брусок поликристаллического граната, вырезанный таким образом, чтобы были выполнены условия ферромагнитного резонанса. Гребенка длиной была применена [329] в нескольких перестраиваемых мазерах. При рабочем угле 90° по мере уменьшения частоты сигнала матричные элементы становятся все в большей степени линейно-поляризованными, и можно получить значительное увеличение коэффициента усиления, располагая рубиновый материал по обеим сторонам гребенки. Изменяя частоту накачки и приложенное поле, можно перекрыть без механической подстройки диапазоны Был разработан также другой тип мазера бегущей волны для [162], а в мазере на частоте была применена лестничная линия.

Расположение парамагнитного материала по обеим сторонам замедляющей структуры уменьшает поперечные размеры и приводит к более эффективному использованию матричных элементов с некруговой поляризацией. Кроме того, соответствующим изменением формы поперечного сечения можно изменять предельную частоту. Используя эти особенности на частоте было достигнуто [607] усиление 36 дб в полосе частот Если диэлектрическая постоянная материала достаточно высока, то нужда в замедляющей структуре отпадает; в частности, рутил, легированный помещенный в прямоугольный волновод, давал значительное усиление на частоте Для увеличения полосы пропускания при ступенчатой настройке магнитное поле создается с заранее вычисленной неоднородностью. При накачке по всей длине линии [617] трудностей не встречается, но отдельные части парамагнитного материала становятся на частоте сигнала относительно неактивными; другими

словами, коэффициент заполнения уменьшается, и, следовательно, для получения данного коэффициента усиления требуется более длинная структура. Хотя уровень шума из-за потерь в структуре при температурах ниже 4° К, весьма низок, желательно обеспечить достаточное усиление во всем рабочем диапазоне по возможности в одном из первых каскадов. Ступенчатая настройка позволяет получить [567] на частоте полосу пропускания

Шумовые характеристики мазера бегущей волны можно рассчитать [72] таким же образом, как и резонаторных мазеров. Было найдено, что мазер для с коэффициентом усиления 20 дб и полосой пропускания имеет [129] шумовую температуру 10,7° К. Составляющая шумов собственно мазера определяется спиновой температурой 1,7° К и отношением коэффициента усиления в спиновой системе к потерям в схеме при температуре ванны 1,6° К. В сумме получается шумовая температура 2,4° К, и, таким образом, общая измеренная температура включает значительную составляющую, определяемую потерями в схеме.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)