БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (КВ)

Для получения оптимальных характеристик К. у. необходимо подобрать размер отверстия связи, так как, кроме требуемого коэффициента усиления, К. у. должен иметь нужную полосу пропускания, которая определяет его способность усиливать сигналы, быстро меняющиеся во времени. Чем быстрее во времени меняется сигнал, тем больший частотный интервал он занимает (см., например, Модуляция колебаний ). Если полоса пропускания усилителя Dn меньше полосы частот, занимаемой сигналом, то произойдёт сглаживание быстрых изменений сигнала в усилителе.

Т. о., введение резонатора в конструкцию К. у. с одной стороны увеличивает его коэффициент усиления, а с другой — во столько же раз уменьшает его полосу пропускания. Последнее значительно сужает область применения усилителя. Однорезонаторные К. у. не получили широкого распространения из-за невозможности обеспечить одновременно большой коэффициент усиления и широкую полосу пропускания. Оказалось, что можно сохранить широкую полосу пропускания при большом коэффициенте усиления, применив несколько резонаторов. Существует два типа многорезонаторных К. у. — усилители отражательного типа с циркулятором ( рис. 6 ) и усилители проходного типа ( рис. 7 ). В проходных К. у. волна распространяется вдоль цепочки резонаторов, заполненных активным веществом. В каждом резонаторе при значительной полосе пропускания усиление невелико, но полное усиление всей цепочки может быть достаточно большим. Резонаторы проходного К. у. соединены друг с другом ферритовыми невзаимными элементами. Под действием постоянного магнитного поля ферриты приобретают свойство пропускать волну, распространяющуюся в одном направлении, поглощая встречную волну. Основным недостатком многорезонаторных К. у. является сложность перестройки частоты усилителя, так как при этом необходимо одновременно с изменением магнитного поля Н менять собственную частоту большого числа резонаторов, что технически трудно.

Время взаимодействия волны с веществом можно увеличить, применяя вместо системы резонаторов замедляющие системы . Скорость распространения волны вдоль такой структуры во много раз меньше скорости распространения волны в радиоволноводе или в свободном пространстве. Соответственно увеличивается и усиление при прохождении волной единицы длины кристалла. Существенно, что замедляющие структуры широкополосны. Это даёт возможность перестраивать частоту К. у. изменением только магнитного поля. Полоса пропускания таких усилителей, а также многорезонаторных К. у. определяется шириной спектральной линии . К. у. с замедляющей структурой получили название К. у. бегущей волны. В них также применяются ферриты. Они пропускают волну, распространяющуюся вдоль замедляющей структуры в нужном направлении, и поглощают встречные, отражённые волны.

Мощность шумов К. у. удобно измерять, сравнивая её с мощностью теплового излучения абсолютно чёрного тела . Спектр теплового излучения включает оптический и радиодиапазоны. Т. о., мощность шумов можно выражать через абсолютную температуру (см. Шумовая температура ). Предельная низкая температура шума К. у., обусловленная спонтанным излучением для l =3 см , составляет 0,5 К. Для большинства активных веществ, используемых в К. у., мощность шума колеблется в пределах от 1 К до 5 К. В реальных К. у. к этим ничтожно малым шумам добавляется гораздо более мощное тепловое излучение подводящих радиоволноводов и др. конструктивных деталей. Мощность шумов, излучаемую волноводом, можно характеризовать величиной b Т , где b — коэффициент поглощения волны, а Т — его абсолютная температура. Для уменьшения шумов необходимо охладить возможно большую часть входных деталей. Но охладить весь входной тракт до температуры жидкого гелия невозможно. Поэтому не удаётся снизить шумы К. у. с антенной до величины ниже 15—30 К. Это приблизительно в 100 раз меньше уровня шумов лучших усилителей, имевшихся до появления К. у.

Охлаждение К. у. производится жидким гелием в криостатах . Трудности, связанные со сжижением, транспортировкой и переливкой жидкого гелия из транспортных сосудов в криостаты, ограничивают возможность применения К. у., осложняют и удорожают их эксплуатацию. Разработаны небольшие холодильные машины с замкнутым циклом движения охлаждающего вещества. Масса такой машины, рассчитанной на охлаждение К. у. до 40 К, составляет 10—20 кг . Машина, рассчитанная на получение 4 К, весит более чем 200 кг и потребляет мощность в несколько квт .

Лит.: Карпов Н. В., Маненков А. А., Квантовые усилители, М., 1966; Сигмен А., Мазеры, пер. с англ., М., 1966; Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия, М., 1969; Штейншлейгер В. Б., Мисежников Г. С., Лифанов П. С., Квантовые усилители СВЧ (мазеры), М., 1971.

А. В. Францессон.

Рис. 1. Распределение частиц по уровням энергии в условиях термодинамического равновесия: а — при температуре T 1; б — при температуре T 2< T 1; N — населённость уровней энергии, DN — равновесная разность населённостей уровней энергии Е 1и Е 2.

Рис. 6. Отражательный усилитель с 3 резонаторами.

Рис. 3. Энергетические уровни парамагнитного иона во внешнем магнитном поле H расщепляются на несколько магнитных подуровней, число которых зависит от величины спина иона S; a) S = 1/2; б) S = 1; в) S = 3/2.

Рис. 2. Возникновение инверсии населённостей для уровней энергии Е 2и Е 3в системе 3 уровней Е 1, Е 2, Е 3под действием накачки: а — при температуре вещества T 1; б — при температуре T 2< T 1. Пунктир показывает распределение частиц по уровням энергии при термодинамическом равновесии.

Рис. 4. Объёмный резонатор с активным веществом.

Рис. 7. Схема квантового усилителя проходного типа с 3 резонаторами.

Рис. 5. Схематическое изображение отражательного квантового усилителя с одним резонатором.