книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

Г. К. п. д. квантовых генераторов. Рассмотрим ряд факторов, определяющих полный к. п. д. квантовых гене­ раторов. Ради упрощения ограничим наше изложение лазерами, работающими в непрерывном режиме. Однако полученные результаты характерны и для других лазе­ ров. Предположим, что в лазер вводится первичная мощ­ ность Мощность, поглощенную в активном веществе лазера, можно тогда выразить как

Ра = **Р,-

(61)

Теперь нам нужно учесть свойства активного вещества •лазера. Допустим, что это вещество имеет схему энерге­ тических уровней, представленную на фиг. 9. Тогда в ла­ зере непрерывного генерирования (в установившемся ре­

жиме)	скорость	изменения	населенности при	переходах
с уровня п на уровень т >			п можно с хорошим приближе­
нием	выразить	как
		-пт	Ра_
		%пгп= -*тп	к » т > /I.	(52)

Скорость, с которой растет населенность энергетиче­ ского уровня т за счет накачки со всех более низких уровней, будет

р		/и—1		мп—I
	__	р __	Р а	гпт	(53)
« т -		2 , « п т -	Л	71 Чип'
		л -0

Следовательно, скорость уменьшения населенности уровня т из-за перехода на верхний лазерный уровень (уровень 3) можно выразить формулой

Ящз = е,п3Ят = гт	" V	гп > 3 .	(54)
	п	утп

Отсюда полная скорость изменения населенности при переходе на уровень 3 равна

	со	_ Ра		т —1 оо
				Епгп	(55)
	гн=4	- а 2 и		т з 2 а ^ 7-
			/71=4	П = 0
	Наконец,
		^82 “	е82^		(56)

и выходную мощность лазера можно представить в виде

Ро= еА^32^';32>	(57)
где е^ — доля величины /?32, связанная	с когерентными

лазерными процессами, а ес— коэффициент, показываю­ щий эффективность, с которой лазерная мощность выво­ дится из генератора. Объединяя уравнения (51), (55),

(56) и (57), получим

от /л—1

Р о =	е А 2 е А 8,«3 ^		8 « ш	( “р 1<	)	( 5 8
	/Л=4	п=о
откуда полный к. п. д. прибора можно записать в виде
	со	;л—1
6 =	8ле32еА		елт8/«3 ^	^ •	(^ )
	т =4	и=0

Два коэффициента в этом выражении имеют особое значение: еа и V32/V„ш. Для газовых лазеров, использую­ щих для накачки электрический разряд, еа, как правило, приблизительно равно 1. Но в твердотельных лазерах с оп­ тической накачкой га обычно очень мало. Таким образом, можно было надеяться, что к. п. д. газовых лазеров будет много выше к. п. д. лазеров на твердом теле. Однако ока­ залось, что, за одним исключением, в настоящее время большие значения еа у газовых лазеров сопровождаются неблагоприятными отношениями V32/Vш/г. При выводе фор­ мулы (59) подразумевалось, что все Vтл больше, чем у32. Следовательно,

'>з г / '1т п < 1.

и поскольку в большинстве газовых лазеров для главных уровней накачки чтп > тз2, для этих уровней также имеем

^32^П п 1*

Таким образом, несмотря на высокие еа, к. п. д. газо­ вых лазеров до последнего времени был почти таким же, как к. п. д. твердотельных лазеров, у которых Vз2/V,лл для основных уровней накачки равно приблизительно 72. Единственным исключением на общем фоне является не­ давно разработанный лазер на С02. У этого лазера для основных уровней накачки отношение ч32/чтп также при­

мерно равно 1/г> й полный к. п. д. этих лазеров по резуль­ татам измерений составил ^12% ,

IV. Потенциальные возможности квантовых генераторов

В табл. 1 приведены параметры нескольких типичных современных лазеров. Если не считать лазер на С02, то, как следует из таблицы, возможности приборов данного класса практически не представляют интереса для СВЧ, энергетики, за исключением, быть может, некоторых спе­ циализированных применений. Такой вывод неизбежен,

Таблица 1

Параметры некоторых лазеров

Рабочая	Длина	Способ	Режим работы	Выходная	Выходная	К- п. д.
среда	волны,	накачки		мощность,	энергия,
	мкм			от	дж/имп
Стекло с	1,06	Импуль­	Без модуляции	—3 .105	~ 1 000	<-^3
неоди­		сная	добротности	(имп.)
мом	1,06	лампа	Геиератор-	'~1,5- 10э	г^50
Стекло с		То же
неоди­			усилитель	(имп.)
мом	0,69		Без модуляции	'-З-Ю 3	~500	^ 2
Рубин
	0,69		добротности	(имп.)
Рубин			Генератор-	10®	~1 0	*—-0,5
	0,69		усилитель	(имп.)
Рубин		Дуговая	Непрерывный	—1	—	—^0,1
Ш-желе-		лампа	То же	(непрер.)
	1,06	То же		'-^130	—	-0,31)
зо-итт-				(непрер.)
риевый
гранат
1\е — Не	0,63	Электрйч. Непрерывный		(непрер.)	—	~0,05
Ые —Не		разряд
	1,12	То же	Импульсный	~300	~ 1 0 -‘	~0,04
N6 — Не	1,15		То же	(имп.)	~ 0 ;2-Ю-* ~0,01
				~ 8 0
Аргон	0,49	»	Непрерывный	(имп.)	—	~ 0 ,5
				~ 50
(ион)	0,51	7>		(непрер.)
СОо-Иа-Не 10,6			То же	~ 7 5 0 '	—	~ 1 2
				(непрер.)

1>	Известен также лазер с мощностью непрерывного излучения 100 от	ппи
к.п.д.	1,7%. — Прим, ред.____________ __________________	1

хотя бы из-за весьма низких к. п. д. этих приборов. Но на самом деле картина ие столь печальна, во-первых, благодаря существованию лазера па С02 и, во-вторых, из-за того, что возникают ситуации, в которых, по-видимо­ му, без лазерной системы нельзя выполнить ту или иную функцию.

Сравнительно недавно разработанный лазер на С02 — это первый квантовый генератор с относительно большим к. п. д. И как таковой он является важной вехой, пока­ зывающей, что к. п. д. лазеров ие обязательно ограничен уровнем 1—2%.

Но к. п. д. не единственный критерий, по которому можно судить о пригодности квантовых систем для энер­ гетических применений. В качестве примера таких при­ менений служит сварка. Очевидно, что в некоторых случаях единственным решением проблемы сварки ма­ леньких и хрупких деталей при условии недопустимости загрязнений является использование излучения лазера, которое, будучи достаточно интенсивным, может быть точно сфокусировано. В подобных случаях часто не счи­ таются с низким к. п. д. системы, так как эта система поз­ воляет получить результат, недостижимый другими спо­ собами.

Хотя трудно сравнивать оптические методы с методами СВЧ-техники в общем виде, без анализа особенностей конкретной системы, некоторые выводы все же можно сделать. Прежде всего если в данную систему входит ли­ ния передачи в атмосфере, то преимущество в общем слу­ чае оказывается на стороне СВЧ-техники, так как СВЧизлучение испытывает меньшее затухание в атмосфере. С другой стороны, оптическое излучение можно сфокуси­ ровать в значительно более узкие пучки, используя апер­ туры (антенны) приемлемых размеров. Таким образом,

вкаждом конкретном случае разработки системы с ат­ мосферной линией связи разработчик может выбирать оптимальное решение с учетом потерь при распростра­ нении в атмосфере, угловых размеров луча и размеров оптики или антенн. Разумеется, что в космических при­ менениях сравнение СВЧ- и оптической системы с одина­ ковыми к. п. д. окажется в пользу оптической системы,

вкоторой легче получить узкий луч.

В заключение можно сказать, что, хотя в настоящее время квантовые приборы, по-видимому, не найдут широ­ кого применения в мощных передающих системах в ос­ новном из-за неэффективности современных оптических генераторов, в ряде специальных применений они могут иметь большое значение. Создание лазера на С02 показало, что низкий к. п. д. не является обязательным свойством этого класса генераторов. Следовательно, исследования, ведущиеся в данной области, могут привести к разработке приборов, обладающих достаточно высокими к. п. д. и другими желательными характеристиками, которые по­ служат основой для широкого применения этих приборов в системах передачи энергии.

2.9.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Ра й д е р

I. Введение

Успехи, достигнутые в последнее время в области полупроводниковых приборов, привели к созданию полу­ проводниковых генераторов СВЧ с выходной мощностью

1	вт вплоть до 3-сантиметрового диапазона. На	частоте
1	Ггц были получены импульсные мощности	свыше

300 в т . Хотя эти мощности на порядки величии отличают­ ся от того, что могут дать электровакуумные приборы, они достаточны по крайней мере для применении в тех­ нике связи.

II.Характеристика состо5шия

Вэтом разделе характеризуется состояние данной об­ ласти на начало 1967 г. Кратко рассмотрены шесть типов генераторов СВЧ: туннельные диоды, варакторные умно­ жители, транзисторы, лавинно-пролетные диоды, диоды Ганна и диоды с ограниченным накоплением объемного заряда. Более подробные сведения по этим приборам чи­

татель найдет в работе [1].

А.Туннельные диоды. Мы начинаем наше изложение

стуннельных диодов, так как именно они были первыми полупроводниковыми приборами, генерировавшими энер­ гию СВЧ. Но уровень мощности их очень низок даже для применений в качестве гетеродинов в приемниках СВЧ. Чтобы получить т-уннелирование при нулевом напряжении смещения, слой пространственного заряда в диоде должен быть очень тонким. Такой туннельный диод имеет низкое рабочее напряжение ибольшую удельную емкость на еди­ ницу площади и поэтому мощность его ограничена. На

туннельных диодах были получены колебания на часто­ тах свыше 100 Ггц. Типичная характеристика мощность — частота для этих генераторов приведена на фиг. 1 (кри­ вая /).

Б. Умножители на варакторных диодах. Приборы этого типа дают сравнительно большую мощность —

выше 1 в т даже в 3-сантиметровом диапазоне, — но имеют более сложную конструкцию. Энергия СВЧ полу­ чается в этих приборах не путем непосредственного преоб­ разования постоянного тока, а умножением частоты дру­ гого источника. Несмотря на то что умножители на ва­ ракторах в настоящее время по генерируемой мощности не уступают другим полупроводниковым приборам, слож­ ность конструкции и высокая стоимость умпожительпой цепочки, по-видимому, будут серьезным препятствием к широкому распространению умножителей, ибо сейчас сравнимую мощность можно получать непосредственным преобразованием энергии постоянного тока. На фиг. 1 мощность, которую способны дать отдельные диоды с пе­ ременной емкостью, показана кривой 2. Используя схему из нескольких диодов, можно получить пропорционально

большую М О Щ Н О С Т Ь . '^

В. Транзисторы. За последние несколько лег тран­ зисторы также вторглись в диапазон СВЧ. Кривая 3 отражает результаты, достигнутые при использовании транзисторов в непрерывном, а кривая 4 — в импульс­ ном режимах.

Г. Генераторы Ганна. Как было установлено Ганном [21, при определенных условиях поразительно простая структура из СаАз генерирует колебания СВЧ. Ожида­ лось, что такая структура, представлявшая собой пла­ стину арсенида галлня п-типа с омическими контактами, будет вести себя как простой резистор. Объяснение эффекта Ганна основывается на механизме «междолиниого пере­ носа», предложенном Ридли и Уоткинсом [3]. С возраста­ нием электрического поля в образце увеличивается ско­ рость носителей заряда, и они переходят в другую энерге­ тическую зону, где их подвижность много меньше. В ре­ зультате оказывается, что данный материал имеет при высоких электрических полях меньшую проводимость, чем при низких, а дифференциальная проводимость при промежуточных значениях поля имеет отрицательный знак. Более подробное изложение этих вопросов заин­ тересованный читатель найдет в статье [4].

Современное состояние в этой области характеризуется кривой 5 для генераторов, работающих в непрерывном режиме, и кривой 6 для импульсных генераторов Ганна [5],

Д. Лавинно-пролетные диоды. Рид [6] предположил, что лавинно-пролетные диоды могут обладать отрицатель­ ным сопротивлением в диапазоне СВЧ. Весьма упрощен-

Ф и г.	1.	В ы х о д н ая		м ощ ность	разл и ч н ы х		п олупровод н и ко ­
		в ы х	п р и б о ро в в		д и ап азо н е С В Ч .
Кривые: 1 — туннельные диоды; 2 — варакторы; 3 — транзисторы, не­
прерывный		режим;	4 — транзисторы,			импульсный режим;			5 — гене­
раторы	Ганна, непрерывный режим; 6 — генераторы Ганна,								импульс­
ный режим; 7 — кремниевые лавинно-пролетные генераторы, непрерыв­
ный режим;		точки;	8 — кремниевые			лавинно-пролетные генераторы,
импульсный		режим	(киадратнки);			9 — диоды	с	ограниченным
накопленном объемного заряда, непрерывный режим (черные треуголь­
ники);	10 — диоды		с	ограниченным		накоплением		объемного*заря-
	да, импульсный режим (светлые треугольники).
но основные положения его теории можно представить
следующим образом:
1.	Носители, движущиеся с большой скоростью в по­

лупроводнике в сильном электрическом поле, могут при соударениях возбуждать валентные электроны с образо-

ванием пар электрон — дырка. Если поле достаточно большое, это явление сопровождается сильноточным раз­ рядом, известным под названием лавинного.

2. Лавинный разряд возникает с некоторой задерж­ кой относительно электрического поля, которое его вы­ зывает, так как для образования нужного количества но­ сителей в процессе ударной ионизации требуется некото­ рое время.

3. Эти носители, попадая на электроды диода (рабо­ тающего в режиме ’с обратным смещением), выводятся из разряда.

4. Следовательно, имеется вторая задержка, обуслов­ ленная конечным временем пролета, необходимым для

сбора	носителей, генерируемых в лавинном разряде.
5.	Если же эти задержки приблизительно равны и их
сумма	составляет около полупериода высокой частоты,

то ток оказывается в противофазе с напряжением, т. е. диод обладает отрицательной проводимостью. Эту отри­ цательную проводимость, как обычно, можно использо­ вать для усиления или генерирования колебаний.

Работа лавинно-пролетных приборов в настоящее вре­ мя довольно хорошо изучена благодаря теоретическим [7, 8] и экспериментальным [9) исследованиям. Типич­ ные значения мощности кремниевых лавинно-пролет­ ных диодов в непрерывном и импульсном режимах отра­ жают кривая 7 и точки 8 (фиг. 1). Германиевые и арсе- нид-галлиевые приборы имеют несколько, меньшую мощ­ ность, но обладают лучшими шумовыми характеристи­ ками.

Е. Диоды с ограниченным накоплением объемного заряда. Коупланд [10, 11] обнаружил, что арсенид-гал- лиевые диоды могут работать в режиме, который отличает­ ся от режима Ганна. Новый режим, известный как режим ограниченного накопления объемного заряда, позволяв! получать более высокие мощности, так как в этом слу­ чае пролетное время не обязательно должно быть огра­ ничено долями периода высокой частоты. Следовательно, область взаимодействия может быть длиннее, емкость диода меньше, а выходная мощность выше, чем у диода

Ганна. Результаты, характеризующие мощность	диодов
с ограниченным накоплением обтемного заряда в	нелре-

рывном и импульсном режимах, также показаны на фиг. 1 (точки О и 10).

Читателю важно иметь в виду, что эти кривые с те­ чением времени меняют свое положение. В частности, можно ожидать, что кривые 7—10 заметно подвинутся вверх на базе вновь полученных результатов. Использо­ ванные здесь цифры взяты из работ 19, 11, 12]. Прибли­ женные кривые построены по наилучшим эксперименталь­ ным работам1).

III. Сравнительная оценка существующих полупроводниковых генераторов СВЧ

Первое, на что следует обратить внимание, это резкое падение мощности любого из описанных приборов с ростом частоты. При увеличении / выходная мощность уменьшает­ ся пропорционально I//2. Это обычное ограничение обус­ ловлено необходимостью работать при определенных зна­ чениях импеданса и масштабно изменять длину области взаимодействия с частотой [13].

Целесообразность применения диодов Ганна, диодов с ограниченным накоплением объемного заряда и лавинно­ пролетных диодов для прямого генерирования энергии СВЧ в приемниках и малогабаритных передатчиках оче­ видна. Сказать, что один из видов этих приборов является лидером, рискованно. Несколько месяцев назад лавинно­ пролетные диоды на несколько децибел опережали диоды Ганна, но вполне возможно, что диоды с ограниченным на­ коплением объемного заряда способны ликвидировать существующий разрыв.

Приведенные в данном разделе результаты в большин­ стве случаев относятся к одиночным диодам. Используя несколько диодов, можно, конечно, повысить получае­ мую мощность. Так, например, объединение в специаль­ ную схему восьми лавинно-пролетных диодов привело

х) В подтверждение укажем, что в декабре 1967 г. от лавшшопролетных генераторов удалось получить мощность 5 вт в непре­ рывном режиме на частоте 10 Ггц. Диоды с ограниченным накопле­ нием объемного заряда генерировали импульсную мощность 350 вт (мпкросекундные импульсы) на частоте 14 Ггц и 600 вт на часто­ те 9 Ггц.