Широкополосное квантовое усиление в миллиметровомдиапазоне волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

їй

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ ім.О.Я.Усикова

ЛАВРИНОВИЧ Олександр Антонович

УДК 585.374:621.375.8

ШИРОКОСМУГОВЕ КВАНТОВЕ ПІДСИЛЕННЯ У МІЛІМЕТРОВОМУ ДІАПАЗОНІ ХВИЛЬ

01.04.03 - радіофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико - математичних наук

Харків - 1997

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки ім. ОЛ.Усикова Національної Академії Наук України, м. Харків

Науковий керівник: доктор фіз. - мат. наук, провідний науковий співробітник ЧЕРПАК Микола Тимофійович ІРЕНАН України

Офіційні опоненти: доктор фіз.- мат. наук, головний науковий співробітник ГАНАПОЛЬСЬКИЙ Єль Маркович ІРЕ НАН України

доктор фіз,- мат. наук, старший науковий співробітник Єру Ігор Ілліч Р1 НАН України

Провідна

установа: Харківський державний технічний університет радіоелектроніки (кафедра ФОЕТ), Міністерство освіти, м. Харків

Захист відбудеться " Ь " // 1997 р. о £ годині на

засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова НАН України (310085, м. Харків, вул. акад. Проскури 12, конференцзал).

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці ІРЕ НАН України, м. Харків, вул. акад. Проскури, 12

Автореферат розісланий " V " /О 1997 р.

Вчений секретар ,

спеціалізованої вченої ради Р N / доктор фіз.- мат. наук С.М.Харківський

Актуальність роботи. Питання підвищення чутливості радіоприймальних систем є одним з головних у радіофізики, гострота якого значно зросла у зв’язку з необхідністю підвищення потенціалу приймально-передаваль них радіосистем, а також у зв’язку з інтересом, який проявляється до вив чення космічного середовища.

До появи квантових підсилювачів рівень власного шуму приймачів в надвисокочастотному (НВЧ) діапазоні перевищував рівень зовнішніх шу мів, зумовлених космічним радіовипромінюванням Землі.

Значно знизити рівень шумів вдалося за рахунок розробки змішувачів на діодах з бар’єром Шоткі (ДБШ), папівпроводнихових параметричних підсилювачів (НПП) та квантових парамагнітних підсилювачів (КП). КП мають найнижчий рівень власного шуму, ефективна температура яких в радіодіапазоні складає декілька кельвінів.

То^, саме низький рівень власного шуму є одною з основних влаегн востей квантових підсилювачів, застосування яких на практиці значно покращує чутливість всієї приймальної системи.

Зі зростанням інтересу до освоєній міліметрового (мм) діапазону підви щнлись вимоги і до розробки КП, як вхідних пристроїв приймальних сис тем. Вимоги відкосяться перш за все до: власного шуму підсилювача, кое фіцієнту підсилення, стабільності та ширини смуги підсилення, яка відіг рає значну роль, коли виникає питанім про приймання великого об’єму інформаційного сигналу.

Найбільш повно цим вимогам задовольняють КП біжучої хвилі (БХ), які набули найбільшого застосування на практиці. Однак смуга підсилен

ня КП БХ не перевищує ширину лінії АГЛ електронного парамагнітного резонансу (ЕПР) у активному кристалі ( у однорідному магнітному полі вона дорівнює Д<л / 3) і в багатьох випадках не € достатньою.

Для розширення смуги підсилення використовується розподільна роз стройка магнітного поля в об’ємі активного кристалу. Але, це веде до різ кого зниження коефіцієнта підсилення. Таким чином, виникає задача піц вищення ефективності взаємодії активного кристалу з полем біжучої хви лі на частоті сигналу для компенсації указаного зниження підсилення та більш загальна - визначення гранично можливих значень смуги підсилен ня при заданій довжині активного кристалу з інверсією нассленостей рів нів речовини у тій же смузі.

У зв’язку з цим виникає ще одна задача, а саме, задача зниження рівня потужності накачки, потрібної для досягненій максимальної інверсії насе леностей у активному кристалі підсилювача.

Звідси видно, що актуальність роботи визначається як чисто наукови ми задачами досліджень фізичних процесів взаємодії електромагнітних хвиль сигналу та накачки з активним кристалом, так і практичними зада чами створення КП БХ з гранично можливими характеристиками у мм діапазоні хвиль. . .

Зв’язок роботи з науковими програмами. Дослідження з теми дисерга ції проведені відповідно з реалізацією комплексної програми « Фундамен іальні дослідження міліметрових та субміліметрових хвиль та їх викорис тання у народному господарстві».

Мета і задачі дослідження:

- одержання квантового підсилення у смузі, перевищуючій ширину лінії ЕПР, за рахунок підвищення ефективності взаємодії електромагнітної хви лі з активним кристалом у періодичних сповішнюючих структурах при

використовувані поперечного розстроювання статичного магнітного поля та розориєнтацй магнітних комплексів у активному кристалі;

-створення квантових підсилювачів у міліметровому діапазоні з розшире ною миттєвою смугою підсилення та зниженим рівнем потужності накач ки, та дослідження їх характеристик.

Наукова новизна. В дисертаційній роботі вирішено проблему розширен ня смуги підсилення КП БХ та зниження в них рівня потужності накачки; проведено дослідження електродинамічних структур навантажених діелек триком з штировими гребінками декількох модифікацій; вивчено вплив фе ритових пластинок, які виконують функцію невзаємного елементу, на ширину лінії ЕПР активного кристалу; вперше у квантовому підсилю вачі виявлено гістерезисну бістабільність інверсійного стану в активному середовищі системи; створено квантові підсилювачі в середньохвильовій частині мм діапазону та досліджені їх основні характеристики.

Достовірність і обгрунтованість одержаних результатів забезпечуються застосуванням апробованих методів експериментальних досліджень, необ хідними розрахунками та їх узгодженням з експериментальними даними, а також узгодженням результатів цієї роботи з результатами інших авторів.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані у роботі результати містять нову інформацію про електродинамічні структури для КП БХ мм діапазону, визначають можливість їх використання на більш коротких довжинах хвиль та вказують на реально досяжні параметри квантових підсилювачів на основі кристалу андалузитів як активно! речовини з великим значенням початкового розщеплення. Результати цих досліджень свідчать також про можливості застосування даних структур для спектральних досліджень різних речовин у мм діапазоні хвиль.

Результата експериментальних досліджень з розширення смуга підси лення та зниженю рівня потужності накачки дають основу для створенні КП мм діапазону, та їй їх основі ефективних приймальних систем, які можуть використовуватися у приймальній апаратурі різного прнзт чення з високою чутливістю (радіоастрономія, фізика елементарних час тинок та інші).

Квантові підсилювачі можуть бути, також, використані шс об’єкт для фі зичних досліджень нелінійних процесів у парамагнітних середовищах.

Реалізація розробки. Створений у результаті досліджень КП ВХ уми діапазоні хвиль використовується в ІРЕ НАН України при дослідженнях нелінійних процесів у парамагнітних середовищах з інвертованим росиоділом населеностей. Розроблено також КП ЕХ, який було передано до ІБХФ АН Естонії для досліджень бета - роспаду.

Окрім цього, дослідження електродинамічних структур вказують на можливість підвищення ефективності взаємодії електромагнітної хвилі з кристалом, що дало можливість на їх основі створити високочутливі спект рометрн (тема "Спектр"- ДКНТ), для середньохвильової частини мм діапа зону.

Основні положення, які виносяться на захист:

1. Показана можливість розширення смуги підсилення до значень, які пере вищують в кілька разів ширину лінії ЕПР активного кристалу.

2. Досліджено шляхи підвищення ефективності взаємодії електромагніт ної хвилі з активним кристалом у сповільнюючій структурі з штировими гребінками кількох модифікацій в середньохвильовій частині мм діапа зону.

3. Показана можливість зниження рівня потужності накачки у 3-4 рази за рахунок підвищення густини енергії накачкн у структурі, та зниження втрат у хвилеводі накачкн.

4.Вперше експериментально виявлено гістерезісну бістабільність інверсій них станів у активному середовищі системи, що пов’язано з самовпливом стоячих хвиль накачки через активне пара магштне середовище.

5. Створено КП БХ з рекордними характеристиками у міліметровому діа пазоніхвиль(КІІ-1: АГ"470МГц при 0 = 20дБ; КП-2: АГ=300МГц при в ж 27 - ЗО дБ ). '«Я'"

Особистий внесок здобувача. Автор є ініціатором та головним викоиу вачем всього циклу досліджень, які увійшли до дисертації ( включаючи робота, які опубліковані у співавторстві).

Апиобвігія пезудьтатів дисертації. Основні результати, які викладені в дисертації, обговорювались на Всесоюзній конференції з магнітного резонансу у конденсованих середовищах (Казань.1984), на її Всєооюз йому симпозіумі з міліметрових та субміліметрових хвиль (Харків, 1984), на ХУП та XXI Всесоюзних радіоастрономі чннх конференціях (Єреван, 1985 та 1989), на Всесоюзній конференції по застосуванню мапгітного резонансу народному господарстві (Казань, 1988), на ХУ Всесоюзній науково - технічній конференції з НВЧ фонтов« техніки (Леиінград. 1990Х на І Українському симпозіумі з фізики і техніки міліметрових та субміліметрових хвиль (Харків, 1991), на Міжнарод йому симпозіумі з фізики і техніки міліметрових та субміліметрових хвиль (Харків,1994), ® УІ Міжнародній шкив з мікрохвильової фізики та техніки (Варна, Болгарія, 1989). Частина основних результат» роботи ярі-димімп»о. на Міжнародних конференціях з інфрачервоних та міліметрових хвиль (Осака, Японія, 1984 та Пекін, Кпав.1990}.

Пубч»гаиіІ. Результати, які увійшли ДО дигтршй, «шцбееиееш з достатньою повнотою у друкованих виданнях. Волго з теаея дятаргасрі зроблено 22 наукові публясвцд , у то»*у чшс 9 ащвояк сяііД, 4 авторські свідоцтва на винаходи, а також обгащимя» на 11 1£яв

родних та Всесоюзних конференціях. Найбільш важливі з них приведеш у кінці автореферату.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів та висновку. Вона містить 120 сторінок основного тексту, 41 малю нок на 35 сторінках та список цитованої літератури з 153 найменувань на 21 сторінці.

СТИСЛИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність вибраної теми дисертації, зформу льована мета роботи, розкрита наукова новизна та практична цінність одер жаних результатів. Приведено короткий зміст дисертації та її структура.

У першому розділі викладено короткий огляд існуючих КП міліметре вого діапазону у контексті можливості досягнення смуги підсилення, яка перевищує ширину лінії ЕПР активного кристалу, а також вплив останньої на розробку основних функціональних елементів підсилювача. Особиста увага приділена КП БХ, які мають кращі характеристики у мм діапазоні хвиль. '

Основні характеристики КП БХ, коефіцієнт підсилення <3(дБ) та‘ полоса підсилення ЛДМГц), визначаються такими виразами:

<3(дБ) = 27.3 Б(1К / - Ц, (1)

Л£-= АГ (3 / Оп (дБ> - З)13

(2)

де Б = с/Угр - сповільнення електромаптяоі хвилі з групової швидкості у активному кристалі;

1* - довжина активного кристалу,

Хс - довжина хвилі сигналу у вільному просторі;

- магнітний декремент активного кристалу; ііо та сіф - декременти хвиль* які ураховують втрати у структурі ■ та невзаємному елементі;

І.*- - втрати у вхідному та вихід ному хвилевод ах;

-ширина лінії ЕПР активного кристалу;

О^дБ) = 273 Б /X.) 4» - коефіцієнт парамагнітного підсилення.

Вирази (1) та (2) правильні, якщо у підсилювачі здійснюється режим біжу чої хвилі. Для цього повинна підсилюватися тільки пряма хвиля, яка роз повскщжується від вхцду до виходу. Погашання відбитих сигналів злій снюегься невзаємних феритовим сікмсніОм, щоробить підсилювач нечут ливим до змін вхідного та вихідного навантаження. Відсутність регенера тивних ефектів дає можливість одержувати в підсилювачі біжучої хвилі значення смуги підсилення, значно більші, ніж у підсилювачів резо натор ного типу, тому що в КП ЕХ підвищення підсилення менше обмежує смугу Д£ яка однак не може перевищувати смугу пропускання сповільнюючої структури.

Для одержання максимальних підсилюючих характеристик необхідно: використати, як активну речовину-парамагнггні кристали з достатньо щиро кою лінією ЕПР А^'та великим значениям магнітного декременту «І™ ;розро бита сповільнюючу структуру з малими витратами, яка забезпечувала 6 високе сповільнення 8 електромагнітної хвилі з групової швидкості; ство рити систему розв'язки прямої та поверненої хвилі у сповільнюючій струк турі, якаб забезпечувала стійку роботу підсилювача у всьому діапазоні пересіроюваиня; дата відповідь на питання про ефективність використан

ня потужності накачки у активному кристалі та можливість II зниження до прийнятних значень.

Найкращі спектральні характеристики у міліметровому діапазоні має кристал андалузиту. Він вигідно відрізняється від інших кристалів. Перш за все, це більші значення початкового розщеплення ( А| = 116.1 ГТц та Аг = 232.2 ГГц), які перевищують цей показник у іншіх кристалів в декіль ка разів. Релексаційний час та діелектричні втрати мають прийнятні зна чення. Він дає можливість одержувати достатньо високі значення коефіці снта інверсії при менших магнітних полях, а також має більші значення матричних елементів переходів на частотах сигналу та накачки.

У розділі розглянуто способи використання індукованого випромінюван ня активною речовиною при одержані підсилення у різних електродинаміч них структурах; 1) у високодобротних об’ємних резонаторах, у яких випро мінювання взаємодіє з речовиною у режимі стоячої хвилі; 2) у сповільнюю чих структурах, де хвиля розповсюджується у режимі біжучої хвилі з гру повою швидкістю, набагато меньшою швидкості світла. З урахуванням цього, характеристики резонаторних підсилювачів та підсилювачів біжу чої хвилі значно відрізняються. За основними характеристиками перевага тут на боці КП БХ. Близькими до КГі БХ, за своєю властивістю та типом взаємодії електромагнітної хвилі з речовиною, є підсилювачі з відбитою хвилею (ПВХ), але для їх реалізації потрібні високоякісні кристали великої довжини.

У розділі розглянуто проблему розширення миттєвої смуги підсилення та її вплив на розробку основних функціональних елементів квантових під силювачів. Приводяться результати досліджень підсилювачів мм діапазону трьох типів: резонаторних, біжучої хвилі, з відбитою хвилею, в яких смуга підсилення перевищує 100 МГц.

Проведений оглядовий аналіз показав, що найкращі характеристики у мм діапазоні хвиль мають підсилювачі БХ . Однак, покращення його підсилювальних характеристик вимагає підвищенім ефективності взаємо дії електромагнітної хвилі у сповільнюючій структурі (СС) з активним кристалом при зменшені омічних втрат у СС, зменшення рівня потужності накачки. Дослідженю цих питань присвячені окремі розділи дисертації.

У другому розділі приведено результати експериментальних дослід жсг.'ь періодичних слектродінамічних стуктур кількох модифіхацій, ство рених новим спосібом,та вивчена ефективність взаємодії в них біжучої хви лі з активним кристалом у мм діапазоні хвиль.

У зазначеному діапазоні хвиль вимоги до конструкції періодичних елек тродінамичних структур зростають. Це, в першу чергу, пов’язано зі зрос танням омічних втрат, викликаних недосконалістю технології їх виготов лення. З урахуванням цього було розроблено спосіб їх виготовлення, який дозволив підвищити чистоту обробки окремих деталей структури до 14 класу, і відповідно зменшити втрати. Окрім того, це дозволило в одній роз бірній конструкції досліджувати сповільнення в структурах типу штиро вої гребінки, виготовленої з різних матеріалів.

Експериментальні дослідження основних характеристик таких структур (S та do ) проводились методом фазового моста. Вимірювальна установка дозволяла проводити виміри у смузі частот 35.5 - 53.5 ГТц.

При однобічному заповнені сповільнюючої структури ( довжина якої 40 мм з плавними переходами, регулярна частина дорівнює 20 мм) активним кристалом сповільнення (S) в середині смуги пропускання дорівнює S„nn « 15, а втрата при цоьму не перевищують 7-8 дБ. Застосування тонкої лейко сапфірової (Alj Oj ) пластинки товщиною 0.1 -0.2 мм веде до звуження ему ги пропускання та до зростання Бл® у 2-3 рази. Певне значення мали дос лідження СС з анізотропною пластинкою із вольфрамату магнія (MgW04 ),

пі показали, що, застосовуючи таку пластинку, можливо у смузі » 2 ГГц одужувати 8 ж 55 при втратах у структурі, які не перевищують 15 дБ. Це важливо для досягнення максимального підсилення при роботі у вузькій смузі частот.

Дослідженім дворадної сповільнюючої структури показало, що офек тившеть використання парамагнітної речовини в їй в 1.5 рази вища, ніж в однорядній. Це свідчить про можливість, без збільшення об’єму активно го кристалу одержувати параметри підсилення вищі, ніж у сіукгурі з одно рядною штировою гребінкою. Крім цього, шляхом впливу діелектричних еле ментів на поле у сповільнюючій структурі, можна одержати більше. можливостей керувати дисперсійною характеристикою структури, переміщуючи її по частоті. Ці переваги можуть бути використані для спектральних досліджень різних речовин.

Питання про зниження втрат у сповільнюючих структурах є дуже важ ливим, тому що втрати впливають на основні параметри всього пристрою, а у мм діапазоні вони визначають граничну частоту, вище якої вже недо цільно використовувати сповільнюючі структури. З урахуванням цього бу ли досліджені сповільнюючі структури, штирові гребінки яких виготовля лися з пружних матеріалів - таких як титан (Ті) та надпровідний сплав із ніобій - титану (МЬТі).

У структурі з гребінкою з Ті, покритою тонким шором міді, у смузі прозорості втрати не перевищували 15 дБ при Б » 30-33. Механічна власти вість стрічки із Ті дає можливість зменшити її товщину до 0.05 мм, що доз воляє, при поліпшені якості покриття гребінки, розраховувати на збіль шеиня Б до 45-50.

Особливий інтерес мають дослідження, у мм діапазоні, структур з гре бінкою із низькотемпературного надпровідника 2-го роду (Тж - 9.8 К), які

повинні були дати відповідь на можливість використання у квантових підсилювачах.

Проведений порівняльний аналіз досліджених сповільнюючих струк тур на основі частотної залежності зведених втрат ( Ьк= Ь*(дБуі8 ) пока зав, щодня нормальних металів та сплавів Ь*ос {3/2, а для структури із надпровідника Ь*ое і*. Експериментальні дані практично усіх структур узгоджуються з зазначеними залежностями. Слід відзначити, що структура з гребінкою із сплаву ИЬТі може працювати до 12 ГТц. На вищих часто тах, і особливо на мм хвилях, застосування таких структур, очевидно, є недоцільним, що пов’язано зі значно більш швідким зростанням втрат у порівнянні з чисто мідними.

Третій розділ присвячено питанню розширення смути підсилюваних частот у періодичній сповільнюючій структурі з активним кристалом. Одер жано вираз для амплітудно - частотної характеристики (АЧХ)для ЇСПБХ з урахуванням розподільної розстройки (поперечної та повздовжньої) ста тичного магнітного та НВЧ полів в об’ємі активного кристалу, доповненою розстройкою магнітних комплексів:

<3п (Ь,в) = 27.3 (И/X) Л’пЛв») / Ь + л'п.*(Є„)/Ь ] /

ГИ V

1+[б-т(х,у,2)-ая(0ІІ)]2, (3)

де 8 - розстройка частоти відносно (о;

8П - кут орієнтації п - го комплексу відносно напрямку магнітного поля;

Xя- магнітна сприйнятливість кристалу,

т) - коефіцієнт використання;

b,h • ширина та висота активного кристалу.

Цей вираз, також, дає можливість проводити аналіз кожного виду роз стройки магнітного поля окремо.

Показано, що використовуючи поперечну розстройку статичного маг нітного поля в об’ємі активного кристалу за допомогою невзаємного фери тозого елементу у вигляді тонкої пластинки, намагніченої перпендикуляр но широкій грані, можливо одержати смугу підсилення Af,більшу ширини лінії ЕПР ( Af,).

Проведені дослідження феритових пластинок зЬі/Ь=1(ЬтаЬі- внео ти штирів гребінки та феритової пластинхи), які виконують функції одно часно невзаємного елементу та тонкої діелектричної пластинки (е »16), вказали на можливість збільшення сповільнення до S » 37 при прийнятних значеннях омічних втрат та отримання при цьому Af > Af,, без вихорис тання додаткових методів розширення смуги підсилення.

Зі зростанням поперечного перерізу феритової пластинки має місце зростання параметра розширення п для випадків hi< t та hi> t ( t - товщина феритової пластинки ). Причому, значення о для дотично - намагніченої пластинки має більшу величину за рахунок внесення більшої неоднорід ності в об’ємі активного кристалу. Найбільше значення ширина лінії ЕПР ДВд = 15.8 мТл мас для пластинки з поперечним перерізом 0.8 х 0.1.

Використання кристалу андалузита (Ala SiOs ¡Fe*) як активней речовини дає додаткову можливість для розширення смуги квантового підсилення в електродинамічних структурах біжучої хвилі. Це пов'язано з особливістю спектра ЕПР іонів Fe^ в авдалузіті - наявності двох магнітних комплексів.

Показано, що використовуючи неоднорідність статичного магнітного поля в об’ємі активного кристалу Al3 SiOj: Fe**, доповнену дезорієнта цією магнітних комплексів, можливо отримувати смугу підсилення, яка

іерсвищуе 400 МГц. Причому, внесок у ширину смуги підсилення більше іа рахунок неоднорідності поля в активному кристалі и складає 80 від сот сів.

Розглянуто питання граничного значення смуги підсилення Ai'nlilx ¡а допомогою поперечної розстройки магнітного поля в об’ємі активного фисталу. Показано, що для даної активно! речовини та обраної електро (шіаміч ної структури з невзаємним феритовим елементом, тобто при вданому значенні відносних втрат d/dn, ( d та da, - декременти втрат та магнітний декремент активної речовини має місце оптимальне значення п _ Оош •

Поет = (dm /dXl/4G)[(17G2 - 36(G -1))W-(G + 6)], (4)

при якому Af досягає граничного значення Af „и*. При подальшому збільшенні п значення Af знижується. Зменшення d/dm веде до зростання значення Aina* » в граничному випадку відсутності втрат ( d/dm -» 0 ) поняття оптимального п втрачає зміст, тому що у цьому випадку Af пропор ційно п. Таким чином, задаючись значенням G та вибираючи відомі актив ний кристал, невзаємний елемент та сповільнюючу структуру, тобто знаю чи їх декременти втрат, однозначно можна визначити iw, отже, Afmax •

У результаті проведених досліджень було показано, що використовую чи пластинку із низькотемпературного надпровідника 2-го роду, розташо ваного з зовнішньої сторони електродинамічної структури, можна досить легко проводити корекцію АЧХ у межах лінії поглинення, роблячи остан ню максимально плоскою біля вершини. Ця методіка може бути використя на у короткохвильовій частині мм діапазону у тих випадках, коли магнітне

1« « - '

- . г *

поле не перевищу« другого критичного поля Нсг У надпровіднику при робо чій температурі. .

У четвертому розділі розглянуто основні особливості досліджуваного квантового підсилювача у середньохвильовій частині ммдіапнзону. Описа на експеримеїгшльна установка, на якій було проведено дані дослідження. Показано можливість зниження потужності накачки.-Для цього, між узгод женими переходами з боку входу сигнала та фланцем хвнльовода перпен дикулярно оса хвнльовода встановлюється металева решітка, проволоки якої орієнтуються перпендикулярно штировому ряду сповільнюючої сгрук тури. Таким чином, решітка вільно пропускає їс, відбиваючи випроміню вання накачки, направляючи його назад до сповільїпоючої струггурн з активним кристалом, збільшуючи при цьому густину енергії накачки у структурі. Виграш потужності при повороті площини поляризації хвилі накачки у структурі складає біля 7.3-9.7 дБ, а необхідна потужність накач ки Рн при однаковій густині енергії у сповільнюючій структурі складає 170 - 250 мВт. Таким чином, відкривається перспектива використання твердотільних джерел випромінювання, спрощуються зад ачи захисту кас кадів, розташованих за квантовими підсилювачами, від просочування до їх входу потужності накачки.

Приведено результати досліджень основних характеристик підсилюва ча. Вперше у мм діапазоні хвиль досягнута смуга підсилення, яка переви щуе400МГц на макеті у діапазоні частот 41 -44 ГГц (КП-1). Показано, що на довжині кристалу, у 1.5 рази меншому, можливо одержувати харая теристнки підсилювача (КП-2) близькі до тих, які одержані у КП-1 за раху нок підвищення взаємодії електромагнітного поля з активним кристалом Використовуючи два джерела накачки з різницею частот 3 ГГц та модулі цію частоти накачки, смугу підсилення можна збільшити до 1 ГГц. Осної ні характеристики двох макетів підсилювачів наведені у Таблиці.

Показано, що використання у квантових підсилювачах квазіоптичних ліній передачі, дають можливість у декілька разів зменшити витрати по тужності накачки та розширити діапазон хвиль підсилюваного сигналу.

Вперше, у квантовому підсилювачі, виявлено бістабільні інверсійні ста ни у активному середовищі системи, пов’язані з самовпливом стоячих хвиль накачки через активне парамагнітне середовище. Переходи між гілками бістабільної системи носять яскраво виражений гістерезісний характер, а на кожній із інверсійних гілок зберігається лінійний режим під силення.

У висновках сформульовано основні результати, одержані в днеерта ційній роботі:

1. Досліджено можливості розширення смуги підсилення квантового підсилювача міліметрового діапазону шляхом комплексного розширення лінії ЕПР активного кристалу:

-одержано аналітичний вираз для амплітудно - частотної характеристики КП БХ з урахуванням розподільної розстройки ( поперечної та поздовж ньої ) статичного магнітного та НВЧ полів в об’ємі активного кристалу, та розстройки магнітних комплексів;

- показано, що використовуючи неоднорідність статичного магнітного поля у об’ємі активного кристалу (Ak SiOs :Fe*} доповнену розорієнта цією магнітних комплексів можливо одержувати смугу підсилення Д£ яка перевищує ширину лінії ЕПР у 3 та більше разів.

2. Створено та досліджено декілька модифікацій сповільнюючих струк тур типу штирової гребінки у діапазоні частот 35 - 55 ГГц:

- показано, що використовуючи несиметричні періодичні сповільнюючі структури типу нгтирової гребінки з тонкою діелектричною пластинкою, можна ПІДВИЩИТИ сповільнення по груповій ШВИДКОСТІ ДО Smin « 35-60, що добре узгоджується з даними розрахунків;

-вперше, для підвищення ефективності взаємодії елеггроиагншюї хвилі з активною речовиною застосовано двухрядну штирову гребінку, яка має додаткові можливості керування дисперсійною характеристикою струкгу ри; показано, що коефіцієнт використання у дворядній структурі вищий в 1.5 рази у порівнянні з однорядною;

-вперше, у мм діапазоні проведено дослідження штирових іребінок з над провідного сплаву NbTi. Одержано експериментальну залежність зведе них омічних втрат у денній структурі, яка змінюється відносно закону t. Показано, що використання штирових гребінок із сплаву NbTi є недоціль ним у мм діапазоні хвиль.

3. Вперше у квантовій радіофізиці, у підсилювачі біжучоі хвилі вняжле но бкпбільт інверсійні стани, пов’язані з самовпливом стоячих хвиль накачхн через активне парамагнітне середовище. Переходи між гілками бістабільноі системи мають яскраво виражений гістерезисний характер, які зберігають лінійний режим підсилення.

4. Показана та обгрунтована можливість створення широкосмугових квантових підсилювачів у мм діапазоні зі зяишни рівнем потужності накачхн на основі активного кристалу явдалузнгга з Fe* :

- вперше створені квантові підсилювачі біжучої хвилі у мм дала юні з рекордними характеристиками: так, на довжині кристалу 20 мм, одержа на смуга підсилення 470 МГц пре G ж 20 дБ у діапазоні перестроювання 41-44 ГТц; при довжині кристалу 13 мм смуга піпсишяня складала 300 МГц при G - 27 - ЗО дБ у діапазоні псрострс«оваішя 40 - 43 ГТц. Діапазон перестроювання підсилювачів визначався смугою пропускання сповільню ючоі структури.

- показані можливості зниження рівня потужності вакачки у КП БХ у 3 - 4 рази, за рахунок збільшення густини енергії иакачкн у структурі, а також використанням для ліній передачі квазіоптичних систем.

У цілому, у роботі показано та реалізовано можливість створення кван юашс підсилювачів з рекордно широкою миттєвою шугою Af підсилю іання частот (до 500 МГц) із зниженням рівнем потужності накачки. Крім рото, в роботі експериментально підтверджується висновок, що квантові трамагнтгі підсилювачі залишаються нетривіальним фізичним об’єктом іля дослідження нелінійних явищ в активному середовищі.

Одержані результати можуть бути корисними при створені підсилюва гів у більш короткохвильовій ділянці мм діапазону. Результати окремих ¡осліджень можуть бути також використані при розробці високочутливих пегтрометрів для дослідження різних речовин, а також застосовані а ін них галузях радіофізики.

Таблиця

Квантовий І

підсилювач КП-1 КП-2

Коефіцієнт 1 підсилення, в(дБ) 20 27-30

Смуга підсилення, 1 ДЯМГц) 470 300

Діапазон 1 перестроювання, ДР(ГГц) 41-44 40-43

Потужність 1 накачки, Р (мВт) 400 270

Температура 1 шуму.Т (К) 25 25

Довжина кристалу, 1 1(мм) 20 13

Ochobhi публпсаи» за темою дисертацн •'

1. Мазерное усиление в средневолновой части мм диапазона с расширенной мгновенной полосой / Лавринович А.А, Смирнова ТА, Черпак Н.Т, Шестопалов В.П./ ДАН СССР,-1987.- Т.297, N4.- С.857 - 859.

2. Лавринович А.А, Черпак Н.Т. Предельное значение мгновенной полосы усиления при поперечной расстройке магнитного поля в квантовых усилителях // Изв. вузов. Радиоэлектроника.-1987. - Т.30, N1,- С.76 - 78.

3. Исследование замедляющей структуры типа штыревой гребенки доя квантовых усилителей мм диапазона /Черпак Н.Т, Лавринович А.А, Мьппенко В.В, Смирнова Т.А. / Изв. вузов. Радиоэлектроника.- 1981.-T-24,N12.-C.9-14.

4. Маковецкий Д.Н, Лавринович А.А. Экспериментальное обнаружение бистабильных инверсионных состояний в мазере бегущей волны / УФЖ.-1991,- Т.36, N6.- С.826 - 828.

5. Лавринович А.А, Смирнова ТА, Черпак Н.Т. Штыревые замедляющие системы миллиметрового диапазона длин волн с диэлектрически» заполнением // Изв. вузов.Радиоэлекгроника.-1997,- Т.40, N7.- С.44 - 50.

6. Маковецкий Д.Н, Лавринович А.А. Наблюдение гистерезнсно! бистабильности в мазере миллиметрового диапазона//Физические ис следования с использованием миллиметрового и субмиллиметрового ДИЕ пазонов.- Харьков: Иад-во ИЮ АН УССР,- 1988.- С.5 -11.

7. Ас. N1277851 СССР, МКИ3 H01S 1/02. Квантовый парамагнитны усилитель бегущей волны / ААЛавринович, ТА.Смирнова, Н.Т.Черпа (СССР).- N3828330 / 24-25. Заявл. 20.11.84,- 2с.:2ил.

8. Ас. N1331347 СССР, МКИ3 H01S 1/02. Способ изготовления кван-

нового усилителя бегущей волны миллиметрового диапазона длин волн / \.А.Лавринович, Н.Т.Чсрпак (СССР).- N3980791 / 24-21.Заявл. 26.11.85.-1с.:2ил.

9.А.с. N1616465 СССР, МКИ3 H01S 1/02. Квантовый парамагнитный усилитель бегущей волны / А.А.Лавринович, Т.АСмиршва, Н.Т.Черпак [СССР).- N4603188 /31-25. Заявл. 26.09.88,- 2с.

10. А.с. NJ 730998 СССР, МКИ5 H01S 1/02. Квантовый парамагнитный /силитель с отраженной волной / АА.Лавринович, Н.Т.Чсрпак, М.С.Янов-жий (СССР).- N4706865 / 25, N4706864 / 25. Заявл. 19.06.89.- 4с.: 2ил.

11. Лавринович А А Черпак Н.Т. Широкополосные квантовые уснлите-ии мм диапазона с перестраиваемой мгновенной полосой // Труды 17-й Всесоюзн. конф. « Радиоастрономическая аппаратура Ереван: ИРФЭ АН Арм.ССР,-1985.- C.160-I61.

12. Лавринович А.А Черпак Н.Т, Смирнова ТА. Создание широкополосного квантового парамагнитного усилителя на андалузите // Труды Всесоюзн. конф. « Применение магнитного резонанса в народном хозяйстве ».- Том.1.- Казань: КФТИ КФ АН СССР . - 1988 .- С.18.

13. Лавринович А.А. Квантовый усилитель бегущей волны миллиметровою диапазона с полосой усиления 300 МГц // Труды 6-й Междунар. школы по микроволновой физике и технике,- Варна(Болгария).- 1989,-С.161.

14.Лавринович А.А Смирнова Т.А, Черпак Н.Т. Повышение эффективности киантозых усилителей бегущей волны в мм диапазоне //Труды 1-го Укр. симл. по физике и технике миллиметровых и субмилпиметро-вых волн,- Том.1,- Харьков : ИРЭ НАН Украины.-1991.- С.242 - 243.

Лавринович O.A. Широкосмугове квантове підсилення у міліметровому діапазоні хвиль. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико - математичних наук за спеціальністю 01.04.03 -радіофізика. Інститут радіофізики та електроніки ім.О.Я.Усикова НАН України, Харків, 1997.

Показана можливість квантового підсилення електромагнітних хвиль міліметрового діапазону у смузі частот, перевищуючій ширину лінії електронного парамагнітного резонансу (ЕПР) у кілька разів, при одночасному знижені потужності накдчки. Досліджено електродинамічні характеристики сповільнюючої структури з штирьоаимн гребінками кількох модифікацій, навантажених диелекгриком. Вивчено вплив феритових елементів у вигляді пластинок, виконуючих функцію невзаємних елементів, на ширину лінії ЕПРактивного кристалу.Приведсні характеристики та основні особливості створених широкосмугових квантових підсилювачів. Виявлено гілки бістабільшіх інверсійних станів у активному середовищі квантового підсилювача з резонаторною накачкою.

Ключові слова: міліметрові хвилі, квантове підсилення, смуга підсилення, сповільнююча структура, невзаємний феритовий елемент, активний кристал, бістабільність.

Лавринович А.А. Широкополосное квантовое усиление в миллиметровом диапазоне волн.- Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени какдздата физико - математических наук по специальности 01.04.03-радиофизика, Институт радиофизики и электроники им. А.Я.Усикова НАН Украины, Харьков, 1997.

Показана возможность квантового усиления электромагнитных волн миллиметрового диапазона в полосе частот, превышающей ширину линии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в несколько раз, при одновременном снижении мощности накачки. Исследованы электродинамические характеристики замедляющей структуры со штыревыми гребенками нескольких модификаций нагруженных диэлектриком. Изучено влияние ферритов ых элементов в виде пластинок, выполняющих функцию невзаимных элементов, на ширину линии ЭПР активного кристалла. Приведены характеристики и основные особенности созданных широкополосных кван товых усилителей. Обнаружены ветви бистабильных инверсионных состояний в активной среде квантового усилителя с резонаторной накачкой.

Ключевые слова: миллиметровые волны, квантовое усиление, полоса усиления, замедляющая структура, невзаимный ферритовый элемент, активный кристалл, бистабильность.

Lavrinovich AA. Broad-band massr amplification in millimeter-wave range. Hie thesis for the search of the scientific degree of a candidate of physics and Mathematics in the speciality of 01.04.03 - radiophysics, IRENAS of Ukraine, Kharkiv, 1997.

A possibility of mc.'wr amplification of millimeter waveband electromagne tic ivaves with instantaneous band-widlh exceeding EPR line in several times at lecreased pump power has been showa. Ths clecircdynamic characteristics of be slow-wave structure with a digit comb insert of several modifications loaded iy diele&tric elements have been investigated. The irr-psci of plate-shaped ferrite ilements, which function as the non-reciprocal elements, on the EPR iins width ids been shown. The psifomonce and the principle features of developed broadband iraveling-wavs masers (TWM) have been presented. Ths bistability bran ;hes of inversion states in the active medium of TWM with the resonator puni sing have been found.

Key words: millimeter wave, maser amplification, band-width gain, slow-wave strukture, plate-shaped ferrite element, active cristal, bistability.