Акустоэлектронные полупроводниковые усилители СВЧ на ПАВ

⇐ ПредыдущаяСтр 13 из 15Следующая ⇒

В акустоэлектронных усилителях (АЭУ) используется явление электро-стрикции в пьезополупроводниках (ПП), когда распространение акустической волны со скоростью υ _ак в теле ПП сопровождается распространением волны зарядовой плотности с той же скоростью. Существует и обратный эффект – передача энергии от «зарядовой» волны к акустической с нарастанием её ампли-туды. Если скорость зарядов (электронов) υ _е> υ _ак, то происходит смещение их в тормозящую фазу волны. Указанные эффекты для построения данных усилителей были предложены в 1964 году академиком Ю.В. Гуляевым и членом-коррес-пондентом В.Н. Пустовойтом. Наиболее удобны для реализации усилители на поверхностно-акустических волнах (ПАВ). Для возбуждения и восприятия ПАВ на поверхность пьезодиэлектрика (обычно ниобата лития LiNbO₃) наносятся металлические пленочные электроды в виде встречно-штыревых преобразова-телей (ВШП), (рис. 6.12).

Рис. 6.12. Устройство полупроводникового АЭУ

Если обеспечить оптимизацию условия υ _е> υ _ак (как в ЛБВ-О и ЛБВ-Е), групп-пировка электронных сгустков будет происходить в тормозящей фазе электри-ческой составляющей волны, и её амплитуда будет нарастать. Скорость акусти-ческой волны составляет единицы км/с.

Обычно шаг между парой штырей одного из электродов ВШП выбирается равным длине волны λ _ак ультразвука в пьезодиэлектрике, ширина полосок – . Ширина ВШП берется порядка нескольких десятков λ _ак или больше. Для поглощения волн на торцах подложки из пьезоэлектрика туда наносят поглощаю-щее покрытие. В качестве пьезоэлектрической подложки могут быть использова-ны и высокоомные полупроводники с пьезоэффектом (ZnO, CdS). Для проводя-щей пленки пьезополупроводника кроме сурьмянистого индия (InSb) могут быть использованы GaAs, CdSe, CdS и др.

Коэффициент усиления АЭУ достигает значений нескольких десятков дБ на частотах до 1 ГГц и более при коэффициенте шума до 10 дБ в полосе ВШП, зависящей от количества штырей. Обычно это единицы процентов. Такие АЭУ могут исполняться в виде усилительных микросхем СВЧ.

Квантовые приборы

Особенности работы и построения квантовых приборов.

Классификация КП

В КП взаимодействие ЭМП происходит с веществом (с электронами, связан-ными с веществом), а не со свободными потоками электронов, как в ЭП и ПП.

Это взаимодействие ЭМП с веществом происходит дискретно, квантами. Частота кванта f₂₁ определяется разностью энергий W₂ – W₁ состояний атома, молекулы:

(7.1)

где h = 6, 6·10^-34, Дж·с (или ) – постоянная Планка.

Энергетическое состояние атома, молекулы определяется энергетическими уровнями электронов в них (в соответствии со значениями квантовых чисел: главного, азимутального, радиального, спинового).

Изменение энергетического состояния атома, молекулы может происходить как с уменьшением энергии (с испусканием кванта ЭМП или без излучения), так и с увеличением энергии (с поглощением кванта ЭМП).

Переход в нижнее энергетическое состояние может быть самопроизвольным (спонтанным, соответственно со спонтанным излучением квантов) и вынужден-ным (индуцированным), под действием квантов ЭМП той же частоты, например квантов спонтанных переходов. Интенсивность спонтанных переходов характеризуется коэффициентом спонтанного излучения А₂₁, 1/с, определяемым временем нахождения частицы в данном энергетическом состоянии (средним временем жизни) .

Интенсивность индуцированных переходов «вниз» характеризуется коэф-фициентом индуцированного излучения В₂₁.

Интенсивность переходов в верхнее энергетическое состояние характери-зуется коэффициентом индуцированного поглощения В₁₂. Для увеличения вероятности такого перехода необходима определенная плотность энергии фото-нов w_f. При достаточной плотности энергии w_fВ₁₂≈ В₂₁ и вероятность индуци-рованных переходов «вверх» и «вниз» одинакова.

Условием преобладания индуцированного излучения над спонтанным в квантовой системе является получение состояния инверсной населенности уровней нижнего N₁ и верхнего N₂, обратной распределению населенности по закону Больцмана:

(7.2)

когда становится N₂> N₁ (соответствует Т< 0, т.е. активному состоянию с «отрицательной абсолютной температурой среды»; здесь – постоянная Больцмана). Излучаемая при этом энергия ∆ W будет определяться соотношением (при N₂> N₁):

hf₂₁N₂B₂₁w_f – hf₁₂N₁B₁₂w_f = ∆ W (7.3)

Если же N₁> N₂, то энергия (– ∆ W) поглощается. При N₁=N₂ имеет место просветление среды. При N₂> N₁ по закону Бугера-Ламберта будет происходить усиление света на частоте f₂₁ при прохождении по пути z через активную среду:

, (7.4)

где – натуральный показатель поглощения, который при N₂> N₁ становится отрицательным.

Для получения инверсии населенности уровней необходимо затратить энер-гию на перевод частиц в верхнее энергетическое состояние, откуда они способны переходить в нижнее состояние. Наиболее часто для получения инверсии исполь-зуется трехуровневая схема с процессом «накачки» с первого на третий уровень за счет внешнего источника на частоте f_н=f₁₃, а инверсия создается между уровнем с большим временем жизни и нижележащим уровнем (рис. 7.1, а, б). Чаще реализуется первая схема. Инверсия может быть также создана за счет столкно-вений с атомами вспомогательного газа.

а) б)

Рис. 7.1. Трехуровневые схемы получения инверсной населенности:

на втором уровне при (а); на третьем уровне при (б)

Несмотря на квантованность уровней, их энергия в ансамбле атомов или молекул изменяется от тепловых колебательных движений составляющих частиц, взаимного влияния их полей, соударений, собственных перемещений в момент излучения. Последняя компонента для газовых квантовых систем даёт наиболь-шее изменение частоты за счет эффекта Доплера:

, (7.5)

где υ – скорость в направлении приемника, с – скорость света. Этот эффект приво-дит к существенному расширению спектра линии излучения. Поэтому индуциро-ванное излучение в принципе имеет определенную степень немонохроматичности за счет уширения спектральной линии излучения. Для повышения монохроматич-ности используются резонаторы, служащие одновременно и как цепи положи-тельной обратной связи (ОС) в квантовых генераторах и регенеративных усилителях.

Энергетическое состояние частиц, являющихся электрическими или магнит-ными диполями, определяется также постоянными электрическими (эффект Штарка) и магнитными (эффект Зеемана) полями («расщепление» энергетических уровней). Энергия диполя возрастает или уменьшается в зависимости от положе-ния диполя – против поля или наоборот. Изменение энергий «расщепленных» уровней в магнитном поле используют для построения на парамагнетиках квантовых парамагнитных усилителей СВЧ (КПУ), использующих, например трехуровневую схему получения инверсии. Для получения в них инверсии населенности уровней используется эффект селективного поглощения ЭМП на одной из частот зеемановского перехода (между «расщепленными» подуровнями) – явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и усиления на частоте другого перехода (см. рис. 7.1). В зависимости от используемых систем создания источника внешнего ЭМП в виде цепи ОС (резонатора отражательного или проходного типа, ЗС с бегущей волной) конструируются и соответствующие типы КПУ. Эффект Штарка также используется для получения инверсии за счет сортировки молекул в квантовых системах с электрическими диполями (моле-кулярный генератор на аммиаке NН₃ с квадрупольным электрическим конден-сатором).

Для модуляции ОКГ с целью передачи информации используются методы как внутренней модуляции (воздействие на активное вещество Е и Н-полем на добротность и длину резонатора, вариация накачкой), так и внешней − воздействие на излучение ОКГ (использование эффектов Фарадея, Поккельса, Керра для АМ и ФМ).

Для демодуляции промодулированного излучения ОКГ используют различ-ные типы фото-устройств в зависимости от диапазона модуляции частот (фото-резисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фото-СВЧ-приборы с фотокатодом типа фото-ЛБВ и др.).

В зависимости от типа используемой среды квантовые генераторы (КГ) и квантовые усилители (КУ) можно разделить на разные группы с получением инверсии:

− при использовании электрических диполей вещества в системах взаимо-действия с электрическим полем (на эффекте Штарка – сортировка пучка молекул в неоднородном электрическом поле);

− при использовании магнитных диполей вещества в парамагнитных систе-мах (на эффекте Зеемана и явлении ЭПР);

− в атомных, ионных и молекулярных системах за счет изменения их энерге-тического состояния (без участия Е- или Н-полей).

В зависимости от агрегатного состояния среды КГ и КУ можно разделить на газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые, электронные (на реля-тивистских пучках электронов).

В зависимости от диапазона КГ и КУ можно разделить на КГ и КУ СВЧ и КГ и КУ оптического и ИК-диапазона (ОКГ и ОКУ).

Учитывая изложенное, можно построить функциональную классификацию КП (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Функциональная классификация квантовых приборов

В изучаемом курсе «ЭП СВЧ и КП» рассматриваются лишь некоторые из указанных видов КП СВЧ и ОКГ.

КП находят широчайшее применение в системах космической связи, волоконно-оптической связи, в технологических и медицинских целях. Среди КП созданы самые малошумящие – квантовые парамагнитные усилители, самые мощ-ные – квантовые генераторы в тысячи ТВт в импульсе, самые стабильные стандарты частоты ( и менее) и времени. Квантовые принципы, заложенные в современные нанотехнологии, – основа технологий будущего общества.

Технические требования, предъявляемые к КП различного назначения, отли-чаются по многим параметрам. Качественно они соответствуют техническим тре-бованиям, сформулированным ранее для ЭП СВЧ.

Квантовые генераторы СВЧ

Существует огромное количество веществ, молекулы которых совершают колебательные или вращательные движения между устойчивыми положениями. Энергии этих состояний также квантованы, а при переходе с верхнего в нижнее состояние выделяются кванты в диапазоне СВЧ. Точно также возможны и обратные переходы с поглощением СВЧ-колебаний. Среди этих веществ можно отметить формальдегид Н₂СО, синильную кислоту НСN, аммиак NН₃и др., на переходах в которых существуют квантовые генераторы СВЧ. В качестве примера рассмотрим квантовый генератор (КГ) на NН₃, использовавшийся долгое время в качестве молекулярного стандарта частоты. Относительная нестабильность частоты генерации у него составляет , что на два порядка выше, чем у прецизионных кварцевых генераторов. В аммиаке существует несколько перехо-дов и соответственно частот излучения. Наиболее существенный из них по эффективности – на частоте около 23870 МГц (длина волны λ ≈ 1, 26 см).

Для создания состояния инверсной населенности в пучке NН₃, поступающего в резонатор с резонансной частотой f_р 23870 МГц, предварительно выполняют сортировку молекул NН₃, находящихся на нижнем и верхнем уровнях. Для этого используют свойство молекул (в том числе NН₃) поляризоваться во внешнем электрическом поле Е₀ и одновременно перемещаться в нем, если оно нелинейно (неоднородно). Это происходит ввиду конечных размеров электрических диполей и разных значений сил Кулона , действующих на противоположные заряды диполей. Указанное явление связано с эффектом Штарка расщепления энергетических уровней на подуровни под действием электрического поля (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Эффект Штарка

Изменение энергии диполя от поля Е₀ определяется нелинейным соотношением

∆ W = –рЕ₀cosφ, (8.1)

где = α – дипольный момент; α – поляризуемость молекулы; φ – угол между осью диполя и направлением вектора электрического поля .

Особенностью молекул аммиака для частоты перехода f₂₁ 23870 МГц являются колебания атома азота относительно «плоскости» трех атомов водорода с образованием противоположных по полярности диполей. Поэтому для NН₃проявление эффекта Штарка будет несколько различным (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Эффект Штарка для аммиака

Молекулы NН₃, находящиеся в верхнем энергетическом состоянии W₂, будут в нелинейном электрическом поле Е₀ перемещаться в минимум их потенциальной энергии (Е₀=0), а находящиеся в нижнем энергетическом состоянии W₁ – в область Е₀_max. Необходимо отметить, что диполи с энергией W₂ ориентированы против вектора поля , а с энергией W₁ – по вектору поля .

Физически на заряды ±q диполя длиной l будут действовать разные силы из-за различного значения Е₀. Поэтому суммарная сила будет смещать диполь в зависимости от его направления, соответственно в область возрастания или уменьшения напряженности поля Е₀. Отметим также, что использование в КГ пучка молекул (или атомов) резко ослабляет влияние эффекта Доплера на уширение спектральной линии, увеличивая степень монохроматич-ности излучения КГ.

Для сортировки молекул используется устройство с нелинейным элект-рическим полем, называемое квадрупольным конденсатором. Оно представляет собой четыре стержня определенного профиля, находящиеся под высоким напря-жением с чередующейся полярностью (рис. 8.3). Иногда используется восемь стержней, и такой конденсатор называется октупольным.

Рис. 8.3. Квадрупольный конденсатор

Максимум напряженности поля Е₀_maxв нем будет между стержнями, в центре Е₀→ 0.

Поэтому в струе NН₃ молекулы, находящиеся в течение времени пролета через стержни в верхнем энергетическом состоянии, так и останутся в центральной области, а находящиеся в нижнем энергетическом состоянии пере-мещаются в область максимума поля Е₀_max между стержнями. На выходе стержней ставится диафрагма с центральным отверстием, через которое в основ-ном пролетают возбужденные молекулы NН₃, попадая далее в резонатор, настроенный на частоту перехода около 23870, 11 МГц. Начавшиеся спонтанные переходы на этой частоте возбуждают колебания в резонаторе. Это ЭМП инициирует вынужденные переходы, и при необходимом притоке нужного количества N молекул NН₃(N=N₀=10¹⁶÷ 10¹⁸ называется стартовым потоком) генерация становится непрерывной.

Мощность генерации может быть найдена по соотношению

Р_г= р₁hf₂₁N, (8.2)

где р₁ – вероятность нахождения молекулы NН₃в нижнем состоянии; при боль-ших значениях w_f вероятность р₁ (переходы «вверх» и «вниз» равнове-роятны); hf₂₁ – энергия одного кванта; N – количество «активных» молекул в секунду, поступающих в резонатор.

Даже при N> > N₀ генерируемая мощность остается много меньше микроватта. Поэтому на выходе включаются многокаскадные малошумящие усилители СВЧ, после чего стабильные колебания ( ) преобразуются и используются для синхронизации прецезионного кварцевого генератора в стандарте частоты.

Конструктивно аммиачный квантовый генератор представляет собой баллон, в котором расположены источник пучка NН₃, сортирующая система (квадру-польный электрический конденсатор) с входной и выходной диафрагмами и резо-натор с входным и выходным отверстиями для пролета молекул аммиака. Воздух и NН₃ постоянно откачиваются из баллона вакуумным насосом. Для более качественного удаления аммиака из пространства баллона в нижней его части помещена полая металлическая пластина («под»), внутрь которой заливается жидкий азот (температура -197 ^оС) для вымораживания не откачанных молекул аммиака (температура его замерзания -78^оС). Аммиак в источник струи поступает из внешнего баллона с NН₃через редуктор (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Устройство КГ на аммиаке

В квантовом стандарте частоты использовалось два квантовых генератора (КГ) на NН₃: один работал в течение месяца, пока на «поде» не намерзал толстый слой NН₃, а другой КГ стоял выключенным в запасе. Затем он включался, синхронизировался по работающему, после чего первый генератор выключался и размораживался (жидкий азот сливался в сосуд Дьюара). Через месяц процедура повторялась. Ввиду относительно невысокой стабильности частоты и неудобства процесса размораживания КГ на аммиаке были заменены более стабильными КГ.

В настоящее время наибольшее распространение получил атомно-водород-ный КГ и созданный на его базе стандарт частоты и времени. Принцип работы этого КГ напоминает КГ, описанный ранее. Отличие состоит в том, что здесь для сортировки атомов водорода, имеющих магнитный дипольный момент , используется эффект Зеемана («расщепление» энергетических уровней магнит-ных диполей на подуровни под действием внешнего постоянного магнитного поля Н₀, рис. 8.5).Соответственно и квадрупольный конденсатор здесь состоит из попарно намагниченных стержней (рис. 8.6).

Рис. 8.5. Эффект Зеемана для атомов водорода

Рис. 8.6. Квадрупольный магнитный конденсатор

На входе и выходе магнитной сортирующей системы также ставятся диафрагмы. Пучок атомов водорода создается в источнике струи после предварительной диссоциации молекул Н₂ с помощью ВЧ-поля (частота генератора 105 МГц) с последующей их фильтрацией через фольгу из никеля. После сортирующей системы атомы водорода, находящиеся преимущественно в верхнем энергетическом состоянии (они группируются по центральной оси магнитного конденсатора), попадают в резонатор с внутренней кварцевой колбой со специальным органическим покрытием изнутри. Колба необходима для увеличения времени пребывания атомов Н в резонаторе (для повышения вероят-ности индуцированных переходов сверху вниз) за счет многократных переот-ражений их от стенок колбы. В этом случае легче выполнить условие самовоз-буждения и генерации при относительно меньших пучках атомов водорода.

Для минимизации влияния внешнего магнитного поля на частоту излучения при переходе с верхнего на нижний уровень на резонатор помещают обмотку со стабильным током для создания некоторого рабочего значения магнитного поля Н_{0 раб} в резонаторе. Сверху также размещают многослойный магнитный экран из пермаллоя для нейтрализации влияния магнитного поля Земли на стабильность частоты. Частота излучения в этом КГ f₂₁ 1420, 4 МГц (длина волны 21 см). Источником молекул Н₂ является металлический баллон с водородом. Откачка водорода из внутреннего пространства рабочего объема КГ осуществляется вакуумным насосом (рис. 8.7). Относительная нестабильность частоты водород-ного КГ достигает . После резонатора, на выходе которого мощность составлет единицы микромикроватт, также ставится малошумящий усилитель СВЧ и система синхронизации кварцевого генератора.

Рис. 8.7. Устройство КГ на водороде

КГ на водороде применяются в современных стандартах частоты и времени для высокоточных измерений в навигационных целях, а также для физических и радиоизмерений. Нижегородский научно-исследовательский приборостроитель-ный институт (ННИПИ) является ведущим в отрасли. В нем разработаны и производятся лучшие в мире водородные стандарты, покупаемые зарубежными компаниями в Европе и Америке. Там же разработаны так называемые пассивные стандарты частоты, где осуществляется подстройка под линии излучения рубидия или цезия. Они более компактны, но имеют хуже относительную нестабильность частоты.

⇐ Предыдущая 6 7 8 9 10 11 121314 15 Следующая ⇒