Квантовые и парамагнитные СВЧ-усилители

Эти усилители применяются для усиления электромагнитных колебаний в диапазоне миллиметровых, сантиметровых и дециметровых волн. Принцип работы состоит в том, что возбужденные ионы активной среды при переходе электронов с более высоких энергетических уровней на более низкие отдают энергию электромагнитной волне и тем самым усиливают ее. В качестве активной среды используются парамагнитные вещества. Обычно это диамагнитные кристаллы с примесью парамагнитных ионов, например рубин с примесью ионов хрома. Напомним, что парамагнитными называют вещества, у которых атомы обладают магнитными свойствами.

Парамагнитные ионы имеют ту особенность, что положение энергетических уровней в них зависит от воздействия внешнего магнитного поля. Чем сильнее это поле, тем выше разность энергий между уровнями, так как уровни "расходятся". Тогда при переходе электрона с верхнего уровня на нижний излучается квант с большей энергией, что соответствует более высокой частоте.

Квантовые парамагнитные усилители могут быть различных Типов. В так называемых резонаторных усилителях парамагнитный кристалл помещается внутри объемного резонатора, имеющего две резонансные частоты. От источника накачки, которым, например, может быть клистронный генератор, колебания поступают в резонатор и возбуждают парамагнитные ионы активной среды. Частота генератора накачки равна одной из резонансных частот объемного резонатора и бывает значительно выше частоты усиливаемых колебаний. В объемный резонатор поступает также усиливаемый сигнал, частота которого равна второй, менее высокой резонансной частоте. Волна этого сигнала многократно отражается от стенок резонатора и многократно проходит через активную среду, за счет чего усиливается. Объемный резонатор с активной средой должен сильно охлаждаться (обычно с помощью жидкого гелия, дающего охлаждение до температуры, близкой к абсолютному нулю). Вся эта система расположена между полюсами сильного магнита или электромагнита. Усиленная волна выходит из резонатора через то же отверстие, через которое в резонатор поступает усиливаемый сигнал.

Основной недостаток однорезонаторного квантового усилителя - сравнительно узкая полоса частот, в пределах которой возможно усиление. Более широкую полосу и большее усиление дают усилители с несколькими резонаторами, но они сложны в настройке.

Значительно лучше квантовый парамагнитный усилитель бегущей волны. В нем отсутствует резонатор, который придавал резонаторному усилителю узкополосные свойства. В усилителе бегущей волны вместо объемного резонатора имеется волновод, вдоль которого размещена активная среда. В волноводе распространяется волна усиливаемого сигнала и волна колебаний накачки. Усиление от активной среды тем больше, чем дольше взаимодействует с ней усиливаемая волна. Для более длительного взаимодействия применена замедляющая система, например в виде ряда штырей ("гребенка"), которая уменьшает скорость волны в десятки раз. Соответственно увеличивается время прохождения волны через активную среду и возрастает усиление. Если бы не было замедляющей системы, то пришлось бы сделать усилитель очень большой длины. В современных квантовых усилителях бегущей волны достигается коэффициент усиления мощности, равный сотням и даже тысячам.

Подобный усилитель, как и резонаторный, помещается в сильное магнитное поле и сильно охлаждается. Этот усилитель широкополосный. Полоса пропускаемых частот составляет десятки мегагерц, и можно перестраивать усилитель на разные частоты, изменяя напряженность внешнего магнитного поля и частоту накачки. Перестройка возможна в пределах сотен и даже тысяч мегагерц.

Исключительно важное достоинство квантовых усилителей - малые собственные шумы, что, в частности, объясняется низкой температурой, при которой работают эти усилители. Поэтому они пригодны для приема очень слабых сигналов. Приемные устройства высокой чувствительности для радиолокации космических объектов и радиосвязи с ними, а также для радиоастрономии обычно имеют в качестве входного каскада квантовый усилитель. Его собственный шум может быть в десятки и сотни раз меньше, чем у других типов усилителей. Квантовые усилители маломощны, но это их свойство не имеет значения, так как они применяются для усиления очень слабых сигналов.