Квантовый усилитель резонаторного типа
Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, а именно к квантовым усилителям, и предназначено для использования в системах СВЧ. Цель изобретения - увеличение срока службы и экономичности за счет уменьшения мощности накачки. Квантовый усилитель состоит из активного кристалла, помещенного в объем прямоугольной формы, ограниченный металлическими стенками. В одной стенке и в противолежащей ей выполнены отверстия с волноводами сигнала и накачки, развернутыми под прямым углом друг к другу. Одна из стенок представляет собой настроечный плунжер, состоящий из средней и крайних частей, соприкасаемых по плоскостям, параллельным широкой стенке сигнала, и имеющим возможность независимого перемещения. 1 ил.
Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к квантовым усилителям резонаторного типа, и может быть использовано в радиоизмерительной технике, для радиоастрономических исследований и технике дальнейшей космической связи. Известен квантовый усилитель резонаторного типа, представляющий собой кристалл активного вещества прямоугольной формы, покрытый слоем металла. В слое металла выполнены отверстия связи с волноводами сигнала и накачки. Размеры кристалла подобраны таким образом, чтобы обеспечить резонанс одновременно на двух частотах частота сигнала и накачки, соотношение которых определяется структурой энергетических уровней активного вещества. Это позволяет эффективно использовать мощность накачки и тем самым значительно снизить требуемую для работы квантового усилителя мощность накачки. Такой квантовый усилитель имеет максимально достижимый коэффициент заполнения активным веществом, низкий уровень, требуемый для работы квантового усилителя, мощность накачки, однако является неперестраиваемым по частоте. Перестройка по частоте при сохранении достаточно высокого значения коэффициента заполнения возможна в квантовых усилителях резонаторного типа с частичным заполнением активным веществом. Квантовый усилитель резонаторного типа с частичным заполнением активным веществом, являющийся ближайшим по технической сущности к предлагаемому устройству, представляет собой объем прямоугольной формы, ограниченный металлической поверхностью, с помещенным в него активным кристаллом. Одна или две его противолежащие стороны представляют собой настроечные плунжеры, а одна или две другие противолежащие стороны имеют отверстия связи с волноводами сигнала и накачки. Настройка резонатора квантового усилителя на заданную частоту сигнала производится путем перемещения одного или двух настроечных плунжеров, причем с помощью двух плунжеров достигается примерно двукратное увеличение диапазона перестройки квантового усилителя. Если частота накачки в несколько раз превышает частоту сигнала (случай, характерный для сантиметрового диапазона длин волн), то вблизи частоты накачки имеется плотный спектр резонирующих типов колебаний и требуемая мощность накачки невелика, включая случаи, когда частота накачки не точно совпадает с частотой резонанса какого-либо типа колебаний. Однако, в миллиметровом диапазоне длин волн, а также для некоторых схем получения усиления в сантиметровом диапазоне частота накачки незначительно превышает частоту сигнала и, следовательно, вблизи частоты накачки спектр резонирующих типов колебаний сильно разрежен. Соответствие резонансных частот резонатора квантового усилителя одновременно частоте сигнала и накачки если и выполняется, то только на фиксированной частоте, а не в диапазоне перестройки квантового усилителя, что приводит к значительному увеличению требуемой мощности накачки. С другой стороны с укорочением длины волны уменьшается мощность генераторов СВЧ. Все это ограничивает возможности создания квантовых усилителей в миллиметровом диапазоне длин волн. Целью изобретения является увеличение срока службы и экономичности за счет уменьшения мощности накачки. На чертеже изображен общий вид квантового усилителя резонаторного типа. Квантовый усилитель резонаторного типа состоит из активного кристалла 1, помещенного в объем прямоугольной формы, ограниченный металлическими стенками 2, 3, 4. С одной стороны объем резонатора ограничивает настроечный плунжер, состоящий из средней 5 и крайних 6 частей, имеющих возможность независимого перемещения. В стенке 2 выполнено отверстие связи 7 с волноводом накачки 8, а в противолежащей стенке с волноводом сигнала 9, причем широкие стенки прямоугольных волноводов сигнала 9 и накачки 8 перпендикулярны друг другу. Устройство работает следующим образом. В резонаторе квантового усилителя посредством волноводов сигнала 9 и накачки 8 и отверстий связи возбуждаются два типа колебаний низшего порядка взаимоортогональных поляризаций, причем вектор электрической составляющей электромаг- нитного поля типа колебаний сигнала перпендикулярен стенке 3, а типа колебаний накачки перпендикулярен стенке 4. Область резонатора между активным кристаллом и плунжером запредельна на частотах сигнала и накачки, так как диэлектрическая проницаемость активных кристаллов, используемых в квантовых усилителях, велика (более 8). Это приводит к тому, что поля будут спадать по направлению к плунжеру (5, 6), то есть величины электрической и магнитной составляющей электромагнитного поля постоянны вдоль направления перпендикулярного стенке 3 типа колебаний сигнала и непостоянны для типа колебаний накачки, а именно, максимум электрической составляющей приходится на центральную часть торца плунжера, а магнитной на его образующую. Путем совместного перемещения обеих частей 5, 6 плунжера осуществляется настройка резонатора квантового усилителя на частоту сигнала. Настроить резонатор квантового усилителя на частоту накачки можно путем перемещения во взаимно противоположных направлениях средней 5 и крайних 6 частей плунжера. При этом вследствие постоянства величин электрической и магнитной составляющих вдоль направления, перпендикулярного стенке 3, для типа колебаний сигнала перемещение в противоположных направлениях средней и крайних частей плунжера оказывает компенсирующее друг друга влияние на частоту резонанса, обеспечивая тем самым возможность ее сохранения. Для типа колебаний накачки перемещение средней части 5 плунжера приводит к заполнению или освобождению объема резонатора квантового усилителя, в котором в основном сосредоточена энергия электрической составляющей электромагнитного поля, а перемещение крайних частей 6 плунжера к заполнению или освобождению объема резонатора с преимущественным сосредоточением энергии магнитной составляющей электромагнитного поля. Поэтому перемещение средней 5 и крайних 6 частей плунжера в противоположных направлениях оказывает дополняющее друг друга влияние на частоту резонанса типа колебаний накачки. Так перемещение средней части плунжера 5 по направлению к активному кристаллу, а крайних частей плунжера 6 от него приводит к уменьшению частоты резонанса, а соответственно перемещение средней части плунжера 5 по направлению от активного кристалла 1 и крайних частей плунжера 6 и кристаллу к ее увеличению для типа колебаний накачки. Таким образом, путем перемещения средней 5 и крайних 6 частей плунжера в противоположных направлениях достигается настройка резонатора квантового усилителя на частоту накачки при сохранении резонанса на частоте сигнала. Положительный эффект, по сравнению с прототипом, заключается в достижении низкого уровня мощности накачки, требуемой для работы квантового усилителя в диапазоне его частотной перестройки. Уменьшение уровня требуемой мощности накачки приводит к уменьшению расхода жидкого гелия, используемого для охлаждения квантового усилителя, позволяет увеличить экономичность и срок службы.
Формула изобретения
КВАНТОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ РЕЗОНАТОРНОГО ТИПА, содержащий помещенный в корпус прямоугольной формы активный кристалл, ограниченный металлическими стенками, одна из которых представляет настроечный плунжер, а две другие противолежащие стенки имеют отверстия связи с волноводами накачки и сигнала, отличающийся тем, что, с целью увеличения срока службы и экономичности за счет уменьшения мощности накачки, настроечный плунжер выполнен из трех частей, при этом средняя часть соединена с одним приводом перемещения, а две другие с другим приводом перемещения, все части плунжера установлены в соприкосновении по плоскостям, параллельным широкой стенке волновода сигнала, а противолежащая плунжеру металлическая стенка параллельная широкой стенке волновода накачки.РИСУНКИ
Рисунок 1MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000
Извещение опубликовано: 10.11.2000
