WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования Республики Беларусь УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ЯНКИ КУПАЛЫ» Ю.М.РЫЧКОВ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ Допущено Министерством

образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия для студентов специальности «Радиофизика» высших учебных заведений Гродно 2002 УДК 538.56+621.381(075.8) ББК 32.842.1+32.845.7 Р95 Рецензенты: кафедра радиофизики Белорусского государственного университета (доктор физико-математических наук, профессор А.С.Рудницкий);

кафедра электроники Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники (кандидат технических наук, доцент Ф.А.Ткаченко).

Рекомендовано советом физико-технического факультета ГрГУ им. Я.Купалы.

Рычков Ю.М.

Электронные приборы сверхвысоких частот: Учеб. пособие / Р95 Ю.М.Рычков. – Гродно: ГрГУ, 2002. – 103 с.

ISBN 985-417-375-5.

В учебном пособии излагаются физические основы работы, принцип дей ствия, основные характеристики и параметры большинства электронных прибо ров СВЧ диапазона: триодов, клистронов, магнетронов, гиротронов, ламп бегу щей и обратной волны, полупроводниковых диодов с p-n переходом, транзисто ров, лавинопролетных диодов и диодов Ганна.

Учебное пособие может быть использовано для подготовки радиофизиков и радиоинженеров в университетах, технических вузах, а также для самоподго товки и повышения квалификации.

УДК 538.56+621.381(075.8) ББК 32.842.1+32.845. ISBN 985-417-375-5. © Рычков Ю.М., ВВЕДЕНИЕ Курс «Электронные приборы СВЧ» входит в обязательную про грамму подготовки радиофизиков широкого профиля. В Гроднен ском государственном университете имени Янки Купалы он чита ется студентам-радиофизикам четвертого курса как обязательная дисциплина учебного плана. Основной её задачей является изуче ние физических принципов, положенных в основу работы электро вакуумных и полупроводниковых приборов, предназначенных для усиления, генерации и преобразования электромагнитных колеба ний СВЧ диапазона.

В основу данного учебного пособия положен курс лекций, чи таемый автором в Гродненском государственном университете имени Янки Купалы.

Структура изложения материала является типовой и заимство вана из общеизвестных учебников Дулина И.В. [1], Андрушко Л.М., Федорова Н.Д. [6].

Ввиду малого объёма курса основное внимание в учебном пособии сосредоточено на принципах действия приборов, их основ ных характеристиках и применении. Вопросы теории изложены в том объёме, который достаточен для понимания физических про цессов в приборах и объяснения их характеристик. В учебном по собии рассмотрены только электровакуумные и полупроводнико вые приборы СВЧ, поскольку квантовые приборы изучаются в от дельном курсе «Квантовая радиофизика». Некоторые частные воп росы вынесены в лабораторный практикум «Приборы СВЧ» [8].

Учебное пособие может быть использовано для подготовки радиофизиков и радиоинженеров в университетах, технических ву зах, а также для самоподготовки и повышения квалификации.

Т Е М А ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРИБОРАХ СВЧ 1.1. Историческая справка Электронные и квантовые приборы СВЧ предназначены для усиления, генерации и преобразования частоты электромагнитных колебаний СВЧ диапазона (от 300 МГц до 300 ГГц).

В электронных приборах СВЧ в энергию электромагнитного поля преобразуется обеспечиваемая внешним источником пита ния энергия свободных электронов.

В квантовых приборах в энергию СВЧ поля преобразуется внутренняя энергия атомов (ионов, молекул). Электроны, участвуя в этом процессе, остаются связанными со своими атомами.

Первоначальная разработка приборов СВЧ шла по пути усо вершенствования обычных электронных ламп с использованием электростатического управления электронным потоком. Однако их возможности были ограничены в связи с ухудшением параметров контуров с сосредоточенными параметрами при увеличении час тоты, а также в связи с соизмеримостью межэлектродного време ни пролета электронов с периодом колебаний. Эти трудности зас тавили искать новые пути создания приборов СВЧ. Это стало воз можным, когда Д.А.Рожанский (СССР) высказал идею динами ческого управления электронным потоком. Использование этого метода привело к созданию таких принципиально новых приборов, как пролётный клистрон ( Н.Д.Девятков в СССР и братья Вариан в США, 1939-1940 г.), отражательный клистрон (Н.Д.Девятков, Е.Н.

Данильцев, 1940 г.), многорезонаторный магнетрон (Н.Ф.Алексе ев, Д.Е.Маляров, 1940 г.), лампы бегущей и лампы обратной волны (Р.Компфнер в США, 1944, 1952 г.) и их модификации. Эти приборы составляют основу вакуумной электроники СВЧ.

Полупроводниковые приборы, с момента изобретения в 1948 г.

транзистора, долгое время использовались лишь в области низ ких частот и малых мощностей. Освоение больших мощностей и СВЧ диапазона началось лишь к 60-ым годам. Параллельно были созданы новые типы полупроводниковых приборов: туннельный диод (Л.Есаки, 1958 г.), лавинопролётный диод (А.Тагер, В.Рид, 1959 г.), диод Ганна (Д.Ганн, 1963 г.), биполярные и полевые СВЧ транзисторы.

Квантовая электроника возникла на базе фундаментальных ис следований в радиоспектроскопии. В квантовых приборах исполь зуется вынужденное излучение огромного количества согласован ных по частоте и направлению излучения электромагнитных волн атомов и молекул под действием внешнего электромагнитного поля.

Идея усиления электромагнитных волн с помощью неравно весных квантовых систем с вынужденным излучением была вы сказана ещё в 1940 году советским физиком В.А.Фабрикантом, но первые проекты квантовых усилителей и генераторов на молеку лярном пучке были предложены Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым лишь в 1954 году. В этом же году американские ученые Ч.Таунс, Д.Гордон и Г.Цайгер построили действующий генератор.

1.2. Основы работы электронных приборов СВЧ Как было отмечено во введении, квантовые приборы СВЧ ди апазона изучаются в курсе «Квантовая радиофизика», поэтому мы рассмотрим только электронные приборы.

Электронные приборы СВЧ диапазона отличаются от обыч ных электронных ламп радиодиапазона (диодов, триодов, пентодов и др.) рядом особенностей, связанных с устранением таких ограни чивающих факторов, как инерция электронов и влияние междуэлек тродных емкостей и индуктивностей вводов.

Первая особенность этих приборов заключается в том, что сами приборы составляют единое целое с колебательными системами, которые отличаются от резонансных систем, используемых в диа пазоне длинных и средних волн.

Вторая особенность состоит в том, что в приборах СВЧ время пролета электронов от катода к электроду, собирающему отрабо танные электроны, используется для формирования электронного потока (образования сгустков и разряжений в потоке движущихся электронов), а также для передачи энергии от электронов высоко частотному электрическому полю. В приборах СВЧ, также, как и в лампах радиочастотного диапазона, увеличение мощности усили ваемых или генерируемых колебаний происходит за счет энергии источника постоянного напряжения, питающего электроды лампы.

Электронный поток является своеобразным «посредником» такого преобразования, но отличие приборов СВЧ, помимо особенностей колебательных систем и методов их сопряжения с прибором, зак лючается в управлении электронным потоком. Если в обычных элек тронных лампах управление электронным потоком статическое и с изменением переменного напряжения на сетке меняется плотность электронного потока, то в приборах СВЧ электронный поток управ ляется динамически. Электрическое поле СВЧ колебаний использу ется здесь для изменения скорости электронного потока, а не его плотности. И лишь со временем, в процессе дальнейшего движения электронов, в результате разности их скоростей в электронном пото ке образуются сгустки и разряжения. Создание электронного пото ка, плотность которого является функцией времени, необходимо для эффективной передачи энергии движущихся электронов СВЧ полю.

При взаимодействии с этим полем электроны могут отдавать ему как кинетическую, так и потенциальную энергию.

Рассмотрим один из возможных случаев, когда высокочас тотному полю передается кинетическая энергия электронов.

Предположим, что электроны, эмитированные катодом и ус коренные полем ускоряющего электрода, движутся далее равно мерным потоком. На их пути расположены обкладки конденсато ра, образующего с некоторой индуктивностью колебательный кон тур, в котором возбуждены СВЧ колебания. Обкладки конденсато ра выполнены в виде сеток, так что электроны свободно проходят через обе обкладки. В то же время ввиду высокой частоты коле баний сетки служат экранами, и электрическое поле СВЧ колеба ний сосредоточено в зазоре между сетками. Нормальная сеткам составляющая электрического поля в течение одной половины пери ода совпадает по направлению с вектором скорости электронов, а во время второй – противоположна ему. Если плотность электронного потока постоянна во времени, то электрическое поле за первую по ловину периода тормозит столько же электронов, сколько ускоряет их за вторую половину периода. Иначе говоря, электрическое поле в течение одного периода колебаний приобретает и теряет равные пор ции энергии, и, следовательно, передача энергии от электронов полю не происходит. Для того, чтобы энергия поля пополнялась, необходи мо получить прерывистый поток электронов. В этом случае интер валы времени между отдельными группами электронов и время их прихода к щели резонатора можно выбрать такими, чтобы электро ны попадали в электрическое поле резонатора только в те момен ты времени, когда поле для них тормозящее. Для выполнения это го необходимо, чтобы сгустки электронов отставали друг от друга на время, кратное целому числу периодов. Если время пролета элек тронов между сетками резонатора меньше половины периода, а в интервалах между сгустками плотность электронного потока рав на нулю, то энергия будет передаваться только в одном направле нии: от электронов полю. В реальных условиях осуществить такую идеальную модуляцию невозможно, и в интервалах между сгуст ками плотность электронов не равна нулю. Но так как их плот ность сравнительно не- велика, общий баланс энергии за период колебаний остается положительным. В электронных приборах сверхвысоких частот сгруппированный в сгустки электронный по ток получается при модуляции непрерывного потока электронов по скорости. В качестве модулирующего напряжения используются колебания, подлежащие усилению (в усилителях), или же часть энергии, отводимая в модулирующее устройство через цепь об ратной связи (в автогенераторах).

В рассмотренном только что случае электроны взаимодей ствуют с пульсирующим полем, сосредоточенным между сетками резонатора. Такое поле может быть использовано и для модуляции электронного потока по скорости, в результате которой образуют ся сгустки электронов. Существует, однако, обширная группа СВЧ приборов, в которых процессы модуляции электронного потока и последующего взаимодействия электронных сгустков с полем про текают в ходе совместного движения электронов и бегущей элек тромагнитной волны. Такие приборы часто называют приборами длительного взаимодействия. Характер взаимодействия электро нов с СВЧ полем не ограничивается описанным выше случаем пе редачи кинетической энергии. Во многих приборах электроны пе редают СВЧ полю свою потенциальную энергию, перемещаясь по сложным траекториям в скрещенных электрическом и магнитном полях. Для всех приборов характерен, однако, процесс формирова ния прерывистого электронного потока, сгустки которого и обеспе чивают эффективный энергетический обмен с электромагнитным СВЧ полем.

1.3. Классификация электронных приборов СВЧ В настоящее время разработано много электронных приборов СВЧ, отличающихся как принципом действия, так и областью при менения. На рис. 1.1 приведена наиболее общая их классификация, основанная на принципе действия (взаимодействии электромагнит ного поля с потоком электронов).

Электронные приборы Полупроводниковые Электровакуумные приборы приборы Диоды Транзисторы с динамическим с электростатическим управлением управлением туннель- лавино- бипо- поле ные пролетные лярные вые Ганна Гиротроны Типа О Типа М Триоды Тетроды Клистроны ЛБВО ЛОВО Магнетрон ЛБВМ ЛОВМ Отражательный Пролетный Твистрон Митрон Платинотрон Рис. 1.1. Классификация электронных приборов СВЧ Электронные приборы СВЧ диапазона по типу управления элек тронным потоком разделяются на приборы с электростатическим и динамическим управлением. В приборах с электростатическим управлением выделяют триоды и тетроды, в приборах с динами ческим управлением по характеру энергообмена выделяют прибо ры типа О, типа М и гиротроны. В приборах типа О происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ поля в результате торможения электронов этим полем. К прибо рам типа О относятся клистроны, лампы бегущей и лампы обрат ной волны типа О (ЛБВО, ЛОВО).

В приборах типа М в энергию СВЧ поля переходит потенци альная энергия электронов, смещающихся в результате многократ ного торможения и разгона от катода к аноду. Средняя кинетиче ская энергия при этом остается постоянной. К приборам типа М относятся магнетрон, митрон, платинотрон, лампы бегущей и об ратной волны типа М.

В гиротронах (приборах на циклотронном резонансе) использу ется резонансное взаимодействие винтового электронного потока с электрическим полем незамедленной электромагнитной волны.

По продолжительности взаимодействия с СВЧ полем приборы подразделяются на приборы с кратковременным (прерывным) и дли тельным (непрерывным) взаимодействием с электронным потоком.

К приборам с кратковременным взаимодействием относятся клистроны, к приборам с длительным взаимодействием – ЛБВО, ЛОВО, ЛБВМ, ЛОВМ, магнетрон, митрон и платинотрон.

В полупроводниковых приборах СВЧ выделяется группа дио дов с отрицательным сопротивлением и группа СВЧ транзисторов.

1.4. Основные параметры приборов СВЧ К основным параметрам обычно относят коэффициент усиления, выходную мощность, КПД, полосу пропускания, шумовые характери стики – для усилителей и выходную мощность, КПД, диапазон пере стройки, характеристики стабильности – для генераторов.

Коэффициентом усиления называется отношение выход ной мощности Рвых к входной Рвх. Обычно эту величину определя ют в децибелах:

Ку(р) = 10 lg(Рвых/Рвх). (1.1) Ширина полосы пропускания f определяется добротностью резонаторов для резонансных усилителей и полосой пропускания замедляющей системы, согласованной с внешними линиями передачи, для нерезонансных усилителей. Обычно ширина полосы пропускания измеряется по уровню половинного значения выходной мощности от максимального значения в полосе пропускания. Она может быть указана также в процентах, т.е.

f/fср·100%, где fср – средняя частота полосы пропускания.

Коэффициент полезного действия определяется как отно шение выходной мощности к суммарной потребляемой мощности Р0 (включая мощность накала катода):

= Рвых/Р0. (1.2) Часто используется также понятие электронного КПД э, равного отношению мощности, отдаваемой электронным пучком полю СВЧ, к мощности источника питания прибора.

Коэффициент шума показывает, во сколько раз отношение мощностей сигнала и шума на выходе усилителя меньше этого же отношения на его входе, т.е.:

Кш = (Рш/Рш.вх)/(Рвых/Рш.вых). (1.3) Для характеристики шумов используют также понятие шу мовой температуры Тш :

Кш = 1 + Тш/290, Тш = 290(Кш - 1). (1.4) Диапазон перестройки генератора характеризуется коэф фициентом перекрытия п = fmax/fmin, (1.5) где fmax и fmin – максимальная и минимальная генерируемые частоты.

Для автогенераторов СВЧ важны характеристики частоты и амплитуды колебаний. Нестабильные колебания можно представить как колебания с изменяющимися амплитудой и частотой:

u(t) = Uср[1 + (t)]cos[срt + (t)dt], (1.6) где (t) и (t) – относительные флуктуации амплитуды и частоты, а Uср и ср – средние значения амплитуды и частоты.

В качестве основных параметров, характеризующих шумовые свойства автогенераторов, принимают спектральную плотность флуктуации амплитуды S(F) и частоты S(F), определяемые приближенными выражениями :

S(F) [2(t)ср]F /F ;

S(F) [2(t)ср]F /F, (1.7) где [2(t)ср]F и [2(t)ср]F – средние квадраты относительной флуктуации амплитуды и частоты, измеренные в полосе частот F, F – расстояние между боковой частотой модуляции и средней частотой. Обычно F принимают равной 1 кГц или 1 Гц.

Долговечность работы приборов определяется в часах.

Т Е М А ТРИОДЫ И ТЕТРОДЫ СВЧ 2.1. Полный ток в промежутке между электродами и во внешней цепи электровакуумных приборов Как известно, в электронных лампах используется электро статическое управление электронным потоком, заключающееся в том, что изменение напряженности электрического поля в рабо чем объеме лампы вызывает изменение числа электронов, уча ствующих в создании тока. Ток лампы можно считать безинерци онной функцией напряжения, если время пролёта электронов в меж электродном промежутке лампы много меньше периода пере менного напряжения Т. Такой режим работы получил название ква зистатического. Однако с увеличением частоты время пролёта может оказаться сравнимым с периодом переменного напряжения и связь мгновенных значений токов и напряжений уже не будет соответствовать квазистатическому режиму. Для учёта влияния времени пролёта электронов на токи электродов применяется по нятие наведённого тока.

Рассмотрим два плоских d электрода с равными потенциала ми (рис. 2.1). Предположим, что от электрода 1 к электроду 2 движет z d – z ся тонкий электронный слой с об щим зарядом –q. Вследствие элек V тростатической индукции этот слой 1 наводит на электродах поверхнос тные заряды, так что E1 E q1 + q2 = q. (2.1) Напряженности электрического Iнав поля у поверхностей электродов определятся как:

E1 = q1/0S, E2 = -q2/0S, (2.2) +q1 -q +q где S – площадь электродов.

Рис. 2. Очевидно, что E1z – E2(d - z) = 0, (2.3) где d – расстояние между электродами, z – координата слоя.

Из (2.2) и (2.3) следует q1z – q2(d – z) = 0. (2.4) Из (2.1) и (2.4):

q1 = q(1 – z/d), q2 = qz/d. (2.5) Вследствие движения слоя его координата является функцией времени, что означает изменение во времени зарядов q1 и q2 и наличие в цепи наведённого тока:

Iнав = dq2/dt = - dq1/dt. (2.6) Используя (2.5) и (2.6), получим Iнав. = qV/d, (2.7) где V = dz/dt – скорость движения слоя.

Наведённый ток возникает, как только электронный слой появляется в промежутке между электродами, и исчезает, когда электронный слой достигает второго электрода. Длительность импульса тока равна времени пролёта электронов.

Используем (2.7) для нахождения наведённого тока во внешней цепи плоских электродов, если в пространстве между ними существует произвольное распределение плотности заряда (z,t).

Наведённый ток, создаваемый по (2.7) элементарным слоем толщины dz, dIнав. = (1/d)S(z,tV(z,t)dz. (2.8) Наведённый ток, создаваемый в промежутке всеми элемен тарными слоями, найдем интегрированием (2.8) по всему проме d жутку Iнав.(t) = (1/d) S (z,t)V(z,t)dz. (2.9) Подынтегральное выражение есть значение электронного тока в сечении z в момент времени t. Назовём его конвекционным током.

Iконв. = S(z,t)V(z,t). (2.10) Таким образом, d (2.10) I (t) =1/ d) I (z, t)dz ( нав. конв.

Если к электродам (рис. 1.2) приложить переменное напряже ние U(t), во внешней цепи, кроме наведённого тока, появится емко стной ток Iемк. = C(dU/dt), (2.12) где С – емкость конденсатора, образованного электродами 1 и 2.

Полный ток в цепи:

Iполн.(t) = Iнав.(t) + Iемк.(t). (2.13) В (2.13) полный ток представлен суммой наведенного и емкостного токов во внешней цепи в отличие от обычного его представления суммой конвекционного тока и тока смещения.

В квазистационарном случае, когда время пролёта электронов много меньше периода переменного напряжения на электродах, можно считать, что конвекционный ток не зависит от координаты z и по (2.11) совпадает с наведенным током, то есть пользоваться понятием наведенного тока нецелесообразно. В лампах СВЧ это условие не выполняется, и целесообразно пользоваться представлением (2.13).

2.2. Работа триода на СВЧ Анализ влияния времени пролета электронов существенно за висит от соотношения амплитуд переменных и постоянных напря жений на электродах.

Если амплитуда переменного напряжения много меньше по стоянного напряжения, говорят о режиме малых амплитуд, если обе величины сравнимы, имеет место режим больших амплитуд.

В режиме малых амплитуд время пролета электронов опреде ляется постоянным напряжением на электродах, а пространствен ный заряд в области катод-сетка такой же, как в статическом ре жиме. Это позволяет создать сравнительно простую теорию элек тронных ламп СВЧ в режиме малых амплитуд.

Теоретическое рассмотрение схемы с общим катодом позво ляет сделать вывод, что время пролета электронов можно учесть введением комплексной крутизны лампы и активной входной прово димости.

Модуль комплексной крутизны равен отношению амплитуды переменного тока в анодной цепи к амплитуде переменного напря жения на сетке, а её фазовый угол показывает отставание анодно го тока от сеточного напряжения. С увеличением времени пролёта фазовый сдвиг растёт, а модуль крутизны уменьшается. Появле ние активной проводимости связано с тем, что из-за существова ния наведенного тока в цепи сетки появляется составляющая се точного тока, совпадающая по фазе с переменным напряжением на сетке. В схеме с общим катодом входная проводимость примерно пропорциональна квадрату частоты.

Режим малых амплитуд характерен для усилителей слабых сигналов и генераторов с низким значением КПД.

Режим больших амплитуд используется в мощных усилите лях и генераторах. В настоящее время маломощные электронные лампы СВЧ полностью вытеснены полупроводниковыми прибора ми СВЧ, и поэтому далее пойдет речь только о режиме больших амплитуд, который будет рассмотрен на примере схемы включе ния триода (рис. 2.2) с помощью пространственно-временных ди аграмм (рис. 2.3).

Z(t) Анод I са нав Сетка Катод 0 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t + Uc(t) Ec U a t Uc Iк.с.нав.

U с Iкс нав t Е c Iс.а.нав.

+ t Рис. 2.2 Рис. 2. На рис. 2.3 показаны: z – координата электрона, отсчитыва емая от катода (рис. 2.2.), t – время, Uс – напряжение на сетке, Iкс и Iса – наведенные токи в промежутках катод-сетка и сетка анод, t0, t1 и т.д. показывают различные моменты вылета элект ронов с поверхности катода.

Будем считать, что управляющая сетка настолько густа, что потенциал анода не вызывает появления электрического поля в пространстве катод-сетка и движение электронов в этом простран стве определяется только напряжением сетки. Напряжение на сетке Uc(t) проходит через нулевое значение в моменты t0 и t3. Электрон, вылетевший из катода в момент t0, будет у сетки в момент t1 и у анода в момент t2. На анод будут попадать также те из последую щих электронов, которые подлетают к сетке с некоторой скоростью.

Электрон, подлетевший к сетке с нулевой скоростью в момент t4, повернет назад к катоду. Как только первый электрон в момент времени t0 начнет движение от катода к сетке, во внешней цепи катод-сетка появится наведенный ток Iк.с.нав., текущий в этой цепи от катода к сетке. Этот ток возрастает по мере увеличения числа электронов в промежутке катод-сетка, достигает своего макси мального значения и убывает в связи с уменьшением скорости элек тронов и изменением её направления. В некоторый момент време ни он равен нулю, а затем меняет своё направление на противопо ложное из-за возвращения электронов к катоду.

Наведенный ток во внешней цепи промежутка сетка-анод (Iс.а.нав.) появляется в тот момент, когда электроны начинают посту пать в этот промежуток. Этот ток также растет, достигает макси мального значения и убывает до нуля к моменту времени t5, когда последний электрон достигнет анода.

Приведенное качественное рассмотрение показывает, что если время пролета электронов сравнимо с периодом переменного на пряжения на электродах лампы, то наведенный ток становится не симметричным по форме и имеет отрицательный выброс. Импульс наведенного тока не повторяет формы сеточного напряжения и за тягивается по времени, снижая амплитуду первой гармоники анод ного тока. Последнее приводит к снижению полезной мощности в нагрузке.

В тетроде на экранирующую сетку подаётся положительное на пряжение, сравнимое с анодным. Поэтому электроны, прошедшие через управляющую сетку, ускоряются в межсеточном промежут ке, и полное время пролета до анода уменьшается. Импульс анодно го тока при этом менее растянут, а КПД выше, чем в триоде.

Триоды и тетроды СВЧ применяются в основном в выходных каскадах передатчиков в качестве генераторов и усилителей сред ней мощности.

Требование уменьшения времени пролета электронов в лам пах СВЧ не является единственным. Необходимо также умень шать междуэлектродные ёмкости, индуктивности вводов и диэлект рические потери в элементах лампы. Поэтому на СВЧ применя ются триоды с дисковыми выводами: маячковые и металлокера мические. Дисковые выводы становятся частью колебательной системы, которая выполняется в виде объёмных резонаторов. Рас стояние между электродами лампы доходит до десятых долей мил лиметра. Диэлектрические потери в междуэлектродных изолято рах уменьшаются благодаря применению высокочастотной кера мики с малыми диэлектрическими потерями. Для корпуса ламп вместо стекла также используется специальная керамика. Совре менные миниатюрные триоды СВЧ разработаны на частоту до 10 Ггц, но имеют небольшую мощность и низкий КПД. В качестве мощных ламп применяются триоды с водяным или воздушным ох лаждением анодов, имеющие специальную конструкцию, в кото рой учтены требования, предъявляемые к лампам СВЧ.

Триодные и тетродные генераторы СВЧ обладают такими дос тоинствами (по сравнению с другими генераторами СВЧ), как срав нительно низкие питающие напряжения, отсутствие устройств фоку сировки электронного потока, достаточно высокий КПД, сравнитель но высокая стабильность частоты и фазы, сравнительно низкая сто имость. Но основным их недостатком является быстрое падение мощ ности с ростом частоты. Поэтому в основном они используются на частотах до 2 Ггц.

Контрольные вопросы по теме 1. Объясните понятия наведенного и конвекционного токов.

2. Объясните влияние конечного времени пролета электронов.

3. Что такое режимы малых и больших амплитуд?

4. Перечислите основные причины уменьшения полезной мощ ности при росте частоты колебаний.

5. Почему электронный КПД тетрода выше, чем триода?

6. Какие дополнительные требования предъявляются к конст рукциям ламп СВЧ диапазона по сравнению с обычными лампами?

Т Е М А КЛИСТРОНЫ Клистроны являются электровакуумными приборами типа О, осуществляющими преобразование кинетической энергии электро нов в энергию СВЧ поля в результате торможения электронов этим полем. Клистроны используют принцип скоростной модуляции элек тронного потока и содержат один или несколько объёмных резона торов. Применяются для усиления, генерации и умножения частоты СВЧ колебаний.

3.1. Двухрезонаторный усилительный клистрон Принцип работы Двухрезонаторный клистрон схематически изображен на рис. 3.1.

3 1 Катод 2 D 4 D Коллектор z l U - + Рис. 3. В клистроне имеются два объемных резонатора с емкостны ми сеточными зазорами. Первый резонатор (3) называют вход ным, или модулятором;

второй (5) – выходным. Пространство меж ду ними называют пространством дрейфа, или группирования. Элек троны, эммитируемые катодом (1), ускоряются постоянным на пряжением U0 второго электрода и попадают в узкий сеточный за зор первого резонатора, высокочастотное поле которого периоди чески ускоряет и замедляет электроны, модулируя их поток по ско рости. В пространстве дрейфа быстрые электроны догоняют мед ленные и, группируясь, обеспечивают модуляцию электронного потока по плотности. Модулированный по плотности электронный поток в виде сгустков и разряжений поступает во второй резонатор и создает в нем наведенный ток.

В результате между сетками резонатора появляется высоко частотное электрическое поле, взаимодействующее с потоком элек тронов. Необходимые параметры клистрона, о которых будет под робнее сказано ниже, подбираются таким образом, чтобы электри ческое поле второго резонатора тормозило сгустки электронной плот ности и ускоряло её разряжения. В результате в среднем за период одного колебания поля тормозится большее число электронов, чем ускоряется. Кинетическая энергия электронов преобразуется в энер гию СВЧ колебаний электромагнитного поля второго резонатора, а электроны, пройдя резонатор, оседают на коллекторе, рассеивая ос тавшуюся часть кинетической энергии в виде тепла.

Подробнее:

Модуляция скорости движения электронов. К сетке перво го резонатора все электроны подлетают с одинаковой скоростью Vе = (2еU0/m)1/2, (3.1) где e, m – заряд и масса электрона.

Между сетками входного резонатора приложено напряжение U1sin(t).

Скорость движения электронов между сетками резонатора удовлетворяет уравнению m(dV/dt) = (eU1/D)sin(t), (3.2) где D – расстояние между сетками.

Величина U1 обычно намного меньше, чем U0, поэтому отно сительное изменение скорости электронов мало, время их пролета через зазор примерно одинаково и составляет величину 1 = D/Ve.

Обозначим через t1 момент прохождения электроном середи ны сеточного зазора. Тогда (t1- 0,51) – момент входа электрона в зазор со скоростью Ve, (t1+ 0,51) – момент выхода из зазора со скоростью V. Решение в указанных пределах уравнения (3.2) дает скорость электронов на выходе из резонатора V = Ve + (2eU1/mD)sin(t1)sin(0,51), V = Ve [1 + M1(U1/2U0)sin(t1)], (3.3) где М1 = (sin0,51)/0,51, 1 = 1 = D/Ve.

Параметр М1 называется коэффициентом связи электрон ного пучка с полем зазора, параметр 1 – углом пролета элект ронов в зазоре.

Физический смысл М1 заключается в том, что он учитывает уменьшение глубины модуляции скорости электронов при конечном значении угла пролета по сравнению с идеальным случаем 1 = 0.

Зависимость М1 от угла пролета 1 показана на рис. 3.2.

Группирование электронов. На рис. 3.3 изображены про странственно-временные диаграммы движения электронов в про межутке между резонаторами (в пространстве дрейфа).

Z 1, М 0, 0, 0, U1(t) 2 3 4 t -0, Рис. 3. Рис. 3. График движения электрона (прямая линия) определяется его скоростью (углом наклона). Точки пересечения прямых с осью ор динат определяют фазу электронов на выходе первого резонатора относительно напряжения на его зазоре. Для электронов, которые проходят зазор в тормозящем поле, угол наклона меньше, для элек тронов в ускоряющем поле – больше. В результате прямые схо дятся и расходятся, чем и объясняется группирование или фазовая фокусировка электронов (образование сгустков и разряжений элек тронной плотности). В каждом периоде колебаний образуется один сгусток, в центре которого находятся электроны, прошедшие зазор без изменения скорости в момент перехода сеточного напряжения через нуль от тормозящего полупериода к ускоряющему.

Поскольку t2 = t1 + l/V, где l – длина пространства дрейфа, то из (3.3) получим с тем же приближением:

t2 = t1 + (l/Ve)[1 + M1(U1/2U0)sin(t1)]-1. (3.4) Как уже было сказано выше, в усилительных клистронах U1 << U0, поэтому, раскладывая (3.4) в ряд по малому параметру U1/2U0 и оставляя два первых члена, получим Рассмотрим связь между моментом прихода электронов во вто рой резонатор ( t2 ) и моментом их прохождения через первый ( t1 ).

t2 = t1 + (l/Ve)[1 - M1(U1/2U0)sin(t1)]. (3.5) Умножим обе части уравнения (3.5) на :

t2 = t1 + l/Ve - (l/Ve)M1(U1/2U0)sin(t1) (3.6) и введем обозначения:

Х = (l/Ve)M1(U1/2U0), 0 = l/Ve. (3.7) Х называют параметром группирования, 0 – углом проле та невозмущенного электрона (не изменившего своей скорости при прохождении первого резонатора).

Из (3.6) и (3.7) имеем:

t2 - 0 = t1 - Хsin(t1). (3.8) Уравнение (3.8) определяет фазу прибытия электронов ко второ му резонатору. Если отсутствует модулирующее напряжение (U1 = 0), то Х = 0 и фаза прибытия электронов во второй зазор линейно связана с фазой их прохождения через первый. Электроны не группируются и одинаково запаздывают по фазе.

Конвекционный ток. Пусть через входное сечение трубки дрейфа за время dt1 проходит группа электронов с зарядом dq1.

Конвекционный ток в этом сечении определится как i1 = dq1/dt1. (3.9) Аналогично в выходном сечении конвекционный ток i2 = dq2/dt2. (3.10) Если рассматривается одна и та же группа электронов, то dq1 = dq2 => i2 = i1(dt2/dt1)-1. (3.11) В первом резонаторе нет группирования электронов, поэтому i1 = I0. Производная dt2/dt1 определяется из уравнения (3.8):

dt2/dt1 = 1 - Хcos(t1). (3.12) Таким образом, для i2 имеем:

i2 = I0[1 - Хcos(t1)]-1. (3.13) Далее в (3.13) t1 выражается по (3.8) через t2 - 0, и полу чившаяся функция i2(t2) раскладывается в ряд Фурье (подробнее см. [3]):

i2 = I0 + Imcosm(t2 - 0), m=1,2,...., (3.14) Im = 2I0Jm(mX). (3.15) В (3.15) Jm(mX) обозначает функцию Бесселя первого рода m-го порядка. Выражения (3.14) и (3.15) справедливы при лю бых Х.

Если выходной резонатор настроен на частоту модулирующе го колебания (1), то мощность в нем будут создавать только ко лебания этой частоты и напряжение между его сетками будет прак тически синусоидальным. Следовательно, из всех членов ряда (3.14) можно оставить только первый:

i2<1> = 2I0J1(Х)cos(t2 - 0). (3.16) Максимальное значение функции Бесселя первого рода перво го порядка равно 0,58 (при Х = 1,84). Соответственно:

I2<1>max = 1,16I0. (3.17) При фиксированной длине трубки дрейфа l и фиксированном напряжении питания U0 параметр группирования Х можно регули ровать по (3.7) изменением амплитуды входного сигнала U1.

Наведенный ток и электронная мощность. Вычисление ам литуды первой гармоники наведенного тока по формуле (2.11) при водит к выражению Iнав<1> = M2I2<1>, (3.18) где М2 – коэффициент электронного взаимодействия во втором ре зонаторе, аналогичный коэффициенту М1 в (3.3). В выходном резо наторе, настроенном на частоту входного сигнала, электронная мощность Р = Iнав<1>U2/2 = M2U2I0J1(X). (3.19) Электронный КПД э = P/P0 = M2J1(X)U2/U0. (3.20) Поскольку М2 1, U2 U0, то максимальный электронный КПД э max = 0,58.

Реальный КПД пролетного двухрезонаторного клистрона, учиты вающий потери в колебательной системе, на сетках резонаторов и другие факторы, гораздо меньше и не превышает 20 %.

Амплитудная и амплитудно-частотная характеристики пролетного двухрезонаторного клистрона изображены на рис. 3.4.

Выходная мощность (рис. 3.4а) вначале практически линейно рас тет с увеличением входной мощности, достигает насыщения и после этого уменьшается. Снижение выходной мощности наблюдается при слишком больших значениях входного сигнала (Х >> 1), когда электронный поток подходит ко второму резонатору перегруппиро ванным.

Рвых Рвых Ку Рвых Ку f fср 0 Рвх Рвх а б Рис. 3. Коэффициент усиления Ку максимален на линейном участке ха рактеристики (Х<<1) и при увеличении входной мощности уменьшает ся. Увеличению выходной мощности и коэффициента усиления препят ствуют силы расталкивания электронов, увеличивающиеся при росте входного сигнала. Их действие приводит к выравниванию скоростей электронов, что эквивалентно уменьшению параметра группирования.

Реальный коэффициент усиления пролетного двухрезонаторного клист рона обычно не превышает 15 дБ, что делает неперспективным его практическое использование. Кроме этого, двухрезонаторный клистрон – это узкополосный усилитель, полоса пропускания которого определяет ся добротностью объемных резонаторов и обычно не превышает одной двух десятых процента. Поэтому на практике нашли применение много резонаторные клистроны, у которых эти параметры выше.

3.2. Многорезонаторный усилительный клистрон В многорезонаторных клистронах между входным и выходным резонаторами помещают дополнительные ненагруженные резонаторы.

В качестве примера, поясняющего особенности их работы, дос таточно рассмотреть пролетный трехрезонаторный клистрон (рис. 3.5).

1 2 Ка т од Колле кт ор U l l 0 12 - + Рис. 3. Между входным (1) и выходным (3) резонаторами распола гается еще один ненагруженный резонатор (2). Все резонаторы настроены на частоту входного сигнала. Как и в двухрезонатор ном клистроне, во входном резонаторе электроны модулируются по скорости и далее группируются в первом пространстве дрей фа (l12). При слабом входном сигнале группирование электронов незначительно и амплитуда первой гармоники конвекционного тока в сечении промежуточного резонатора также невелика. Однако, поскольку ненагруженный промежуточный резонатор является вы сокодобротной системой, то даже при малой амплитуде конвек ционного тока напряжение, создаваемое на его сетках, будет боль шим. Это напряжение вызывает сильную модуляцию скорости электронов во втором резонаторе и сильную группировку элект ронного потока во втором пространстве дрейфа (l23). В результа те распределение электронов в сгустках их плотности будет оп ределяться вторым резонатором и зависимость конвекционного тока в третьем резонаторе будет примерно такой же, как в двух резонаторном клистроне, образованном вторым и третьим резо наторами, но при модулирующем напряжении гораздо большим, чем модулирующее напряжение первого резонатора. При этом коэффициент усиления значительно увеличится, так как группи рование электронов осуществляется при значительно меньшей амплитуде входного сигнала, подводимого к первому резонатору.

Однако максимальное значение амплитуды первой гармоники кон векционного тока, а следовательно, максимальная выходная мощ ность и электронный КПД остаются такими же, как и в двухрезо наторном клистроне, т.е. предельное значение КПД составляет 58 %. Для увеличения КПД в многорезонаторных клистронах про изводится расстройка промежуточных резонаторов, где велико на пряжение, создаваемое наведенным током (обычно это предпос ледний резонатор). В то же время уменьшение выходной мощно сти и коэффициента усиления клистрона, возникающее при рас стройке резонаторов, компенсируется увеличением количества резонаторов. (Коэффициент усиления примерно равен 15+20(N-2) дБ, где N – число резонаторов.) Теоретические расчеты показывают ([3]), что в этом случае (как и в случае связанных контуров) элек тронный КПД можно увеличить до 75 % и расширить полосу ра бочих частот до нескольких процентов. На практике обычно при меняют четырех-шестирезонаторные клистроны.

Применение многорезонаторных клистронов Многорезонаторные клистроны можно разделить на клистро ны непрерывного действия и импульсные.

Обычно клистроны в непрерывном режиме применяются в выходных каскадах мощных передатчиков тропосферной связи де циметровых и сантиметровых волн с уровнями мощности 1–20 кВт и систем связи «Земля – спутник» с уровнем мощности до 50 кВт.

Клистроны непрерывного режима работы мощностью 50–500 кВт (сверхмощные) применяются в передатчиках радиолокационных станций и станций управления на межпланетных расстояниях.

Многорезонаторные клистроны импульсного действия приме няются в качестве оконечных импульсных усилителей в передатчи ках радиолокационных станций с мощностью в импульсе до 200 кВт.

Сверхмощные импульсные клистроны (до 30 МВт) применяются в ускорителях заряженных частиц и системах сверхдальней локации.

Большой интерес представляют клистроны с распределенным взаимодействием, у которых выходной резонатор (а иногда и про межуточные) заменен отрезком замедляющей системы из несколь ких связанных резонаторов. Такие клистроны имеют более высо кий КПД и более широкую полосу рабочих частот.

3.3. Отражательный клистрон Принцип работы Отражательные клистроны (рис. 3.6) предназначены для ге нерирования СВЧ колебаний малой мощности.

2 d 1 s z U0 Uотр + - + Рис. 3. Они имеют один объемный резонатор (3), который выполня ет две функции: модулирования скорости электронов и отбора ки нетической энергии у модулированного по плотности электронного потока. За резонатором расположен отражатель (4) – электрод, на который относительно катода (1) подано отрицательное напряже ние Uотр. Мощность генерируемых колебаний выводится из резо натора в линию нагрузки (6) при помощи петли связи (5). Скорость электронов перед резонатором определяется напряжением U0 ус коряющего электрода (2). Движение электронов в отражательном клистроне можно пояснить с помощью пространственно-времен ной диаграммы (рис. 3.7).

Z Плоскость отражателя n = t 1 2 3 U Рис. 3. Электроны на выходе резонатора попадают в тормозящее электрическое поле отражателя и возвращаются назад к сеткам резонатора. В зависимости от фазы сеточного напряжения U1 они будут иметь различные скорости на выходе из резонатора и вер нутся к нему обратно через различные промежутки времени (элек троны 1, 2, 3), группируясь относительно невозмущенных электро нов, прошедших сеточный зазор в момент перехода сеточного на пряжения от ускоряющего полупериода к тормозящему (электрон 2). Если сгруппированный электронный поток возвращается к ре зонатору в пределах тормозящего полупериода U1 (на выходе из резонатора этот полупериод был ускоряющим), то электроны от дают часть своей кинетической энергии высокочастотному полю резонатора и поддерживают колебания (положительная обратная связь). Сгусток электронов отдаст наибольшую энергию в том слу чае, когда невозмущенные электроны приходят в момент макси мума поля. Следовательно, оптимальный угол пролета невозму щенного электрона 0опт = 2(n + 3/4), (3.21) где n = 0, 1, 2,... – целое число, называемое номером зоны генерации.

Скорость электрона на выходе из резонатора по (3.3):

V = Ve [1 + M1(U1/2U0)sin(t1)], где t1 – момент прохождения электрона через центр зазора в на правлении к отражателю, U1 – напряжение на сетках резонатора.

Напряженность постоянного тормозящего электрического поля E = (U0 - Uотр)/S, (3.22) где U0 – постоянное напряжение между катодом и резонатором, Uотр < 0 – напряжение на отражателе, S – расстояние от резонато ра до отражателя.

Время полного торможения электрона равно времени возвра та и половине времени пролета электронов (). Если e – заряд элек трона, а m – его масса, то eE = mV/(/2), (3.23) откуда следует:

= 2mV/eE = (2m/e)[SV/(U0 - Uотр)]. (3.24) Скорость V невозмущенного электрона в центре сгустка равна Ve, поэтому из (3.1), (3.21) и (3.24) имеем:

0опт = = 2(n + 3/4) = (2m/e)[S(2еU0/m)1/2/(U0 - Uотр)], или, иначе:

(n + 3/4) = 4f [S/(2еU0/m)1/2][U0/(U0 - Uотр)], (3.25) где f – частота генерируемых колебаний.

Уравнение (3.25) позволяет при заданных f, S и U0 опреде лять ряд значений Uотр, необходимых для получения оптимальных углов пролета, соответствующих различным значениям n.

Передача энергии от электронного сгустка СВЧ полю ухуд шается, если угол пролета отличается от оптимального, но все же возможна, если сгусток приходит к резонатору во время действия тормозящего полупериода сеточного напряжения. Таким образом, существует ряд областей изменения значений Uотр, соответству ющих различным значениям n, где возможна генерация колеба ний. Зависимость мощности и частоты генерируемых клистроном колебаний от напряжения на отражателе имеет зонный характер и представлена на рис. 3.8.

Р а ) n = n = 0,5 Р n = -Uотр f б ) Uотр f0 f -Uотр Рис. 3. Области значений Uотр, для которых возможна генерация СВЧ колебаний, называются зонами генерации, а соответствующее каж дой из этих областей значение n – номером зоны генерации.В цен тре каждой зоны угол пролета имеет оптимальное значение, часто та генерации равна собственной частоте резонатора, а мощность генерируемых колебаний максимальна. При изменении Uотр (анало гично при изменении U0) происходит изменение частоты генериру емых колебаний, что получило название электронной перестрой ки частоты.

Диапазон электронной перестройки частоты определяется доб ротностью нагруженного резонатора отражательного клистрона.

Параметры и характеристики Уравнение (3.25) позволяет определить напряжение отражате ля, при котором мощность колебаний максимальна. Вычислим по (3.24) разность фаз вылета и возвращения электрона в центр зазора:

t2 - t1 = (2m/e)[s/(U0-Uотр)]V. (3.26) Подставляя в (3.26) значение V из (3.3), имеем:

t2 - t1 = (2m/e)[s/(U0-Uотр)]Ve [1 + M1(U1/2U0)sin(t1)] = = (2m/e)[s/(U0-Uотр)]Ve + + (2m/e)[s/(U0-Uотр)]VeM1(U1/2U0)sin(t1). (3.27) Первый член в правой части (3.27) равен невозмущенному углу пролета электронов 0, что позволяет представить соотношение (3.27) в виде t2 = t1 + 0 + Хsin(t1), (3.28) где Х = M10(U1/2U0).

Соотношение (3.28) для отражательного клистрона аналогич но соотношению (3.8) для пролетного клистрона, но отличается от (3.8) знаком перед последним слагаемым, что связано с тем, что в отражательном клистроне группирование электронов смещено на полпериода по сравнению с пролетным клистроном. Конвекцион ный ток отражательного клистрона рассчитывается аналогично про летному:

i2(t2) = I0 + Imcosm(t2 - 0), m=1,2,...., (3.29) Im = 2I0Jm(mX).

Амплитуда первой гармоники конвекционного тока равна:

I<1> = 2I0J1(X). (3.30) Амплитуда первой гармоники наведенного тока:

Iнав<1> = 2I0М1J1(X). (3.30) Максимальная мощность электронного взаимодействия:

P = Iнав<1>U1/2 = I0М1J1(X)U1. (3.31) Выражая U1 через параметр группирования Х U1 = 2XU0/0M1 (3.32) и принимая 0 = 2(n + 3/4), получим:

Р =Р0XJ1(X)/(n + 3/4). (3.35) Соответственно, максимальный электронный КПД в центре зоны эmax = XJ1(X)/(n + 3/4). (3.36) Следует заметить, что формула (3.36) дает большую ошибку при n=0;

1, так как в этом случае условие U1<

Электронный КПД отражательных клистронов ниже, чем у про летных клистронов, и его реально достижимое значение не превы шает нескольких процентов.

В пределах каждой зоны генерации возможна электронная пере стройка частоты. На практике её осуществляют изменением Uотр, так как ток в цепи отражателя равен нулю и управление частотой ге нерации происходит без затрат мощности. Расчет зависимости f/f от добротности резонатора (Qн) и Uотр показывает (см. [3]), что f/f0 = -(1/2Qн)tg[2(n + 3/4)Uотр/(U0-Uотр). (3.37) Диапазон электронной перестройки частоты у отражательных клис тронов обычно не превышает 0,5 % от среднего значения частоты.

Применение отражательных клистронов Отражательные клистроны нашли применение в различной ап паратуре в качестве маломощных генераторов. Вследствие низко го КПД их не используют для получения больших мощностей и применяют в качестве гетеродинов СВЧ приемников, в измеритель ной аппаратуре и в маломощных передатчиках. Их основные пре имущества заключаются в конструктивной простоте и наличии элек тронной перестройки частоты. Отражательные клистроны имеют высокую надежность и не требуют применения фокусирующей си стемы.

В настоящее время генераторы на отражательных клистро нах вытесняются полупроводниковыми генераторами СВЧ.

Контрольные вопросы по темам 1– 1. Перечислите параметры, характеризующие работу прибо ров СВЧ.

2. Объясните принцип классификации приборов СВЧ.

3. Объясните понятия конвекционного и наведенного токов.

4. Назовите основные режимы работы триодов и тетродов СВЧ и объясните их отличия от ламп радиочастотного диапазона.

5. Объясните скоростную модуляцию электронного потока в пролетном двухрезонаторном клистроне.

6. Объясните процесс группирования электронов в пролетном двухрезонаторном клистроне.

7. Объясните процесс группирования электронов в пролетном многорезонаторном клистроне.

8. Назовите основные характеристики пролетных многорезо наторных клистронов и их применение в технике.

9. Объясните процесс группирования электронов в отражатель ном клистроне.

10. Объясните механизм электронной перестройки частоты в отражательном клистроне.

11. Назовите основные характеристики отражательных клис тронов и их применение в технике.

Т Е М А ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ И ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ ТИПА О 4.1. Лампа бегущей волны типа О Лампой бегущей волны типа О (сокращенно ЛБВО) называ ют электровакуумный прибор СВЧ диапазона, в котором использу ется длительное взаимодействие сгруппированного потока элект ронов с прямой пространственной гармоникой электромагнитной волны, распространяющейся вдоль замедляющей системы.

Принцип действия и устройство Рассмотрим (рис. 4.1) движение электронов со скоростью Ve в си стеме координат, движущейся с фазовой скоростью волны Vф, для трех характерных начальных случаев: а) Ve < Vф, б) Ve = Vф,, в) Ve > Vф. Пунктирными линиями изобразим смещение (z) элект ронов (1, 2, 3) относительно продольного электрического поля вол ны (Ez ) без учета его влияния и сплошными – с учетом.

t t t Ez Ez Ez z z z 1 2 3 1 2 3 1 2 б а в Рис. 4. Траектории движения электронов, движущихся по инерции без влияния продольного электрического поля волны Ez, представляют собой прямые линии (пунктир), тангенс угла наклона которых (z/t) характеризует относительную скорость движения электронов (Ve - Vф) во введенной системе координат. В случае а его величина отрица тельна (наклон влево), в случае б – равна нулю (наклона нет), в слу чае в – положительна (наклон вправо). В зависимости от фазы Ez его влияние выразится в увеличении (электрон 1) или уменьшении (элект рон 3) скорости электронов. В ускоряющем полупериоде поля элект роны будут смещаться вправо, а в тормозящем – влево от прямоли нейного движения (сплошные линии). В результате происходит груп пировка электронов (1, 3) относительно невозмущенного электро на (2), который движется в нулевом значении поля Ez, при переходе от ускоряющего к тормозящему полупериоду.

В случае а группировка происходит в области ускоряющего полупериода Ez, что, в среднем за период колебания, приводит к уменьшению энергии электромагнитного поля волны за счет уве личения кинетической энергии электронного потока;

в случае в груп пировка происходит в области тормозящего полупериода Ez, что приводит к увеличению энергии электромагнитного поля волны;

в случае б группировка происходит в нулевом значении Ez, где энер гообмена нет. Таким образом, необходимым условием увеличения амплитуды волны (её усиления) является Ve > Vф. Скорость элек тронов в процессе взаимодействия с волной постепенно уменьша ется, потому разница в их скоростях должна быть достаточной для того,чтобы электроны за время взаимодействия (время про лета в замедляющей системе) не сместились назад в ускоряющий полупериод поля. В то же время эта разница не должна быть и слишком большой, так как в этом случае электроны снова окажут ся в ускоряющем полупериоде поля, не успев сгруппироваться в тормозящем. Обычно допустимую разницу в скоростях Ve и Vф оценивают по приближенной формуле (см. [6]):

(Ve -Vф) CVe, С = (RсвI0/4U0)1/3 ~ (0,01 - 0,1), (4.1) где Rсв – сопротивление связи (см. [7]), I0 – ток катода и U0 – потенциал последнего анода электронной пушки ЛБВ. Соотноше ние Ve Vф называют условием фазового синхронизма прибо ров типа О.

Устройство ЛБВО, реализующее рассмотренный выше ме ханизм взаимодействия, схематически изображено на рис. 4.2.

4 2 3 1 - + 7 8 Uk U0 - + Рис. 4. Электронная пушка 1 формирует электронный пучок с задан ным сечением и интенсивностью. Сечение пучка сохраняется по стоянным вдоль замедляющей системы 2 (обычно это спираль) при помощи фокусирующей системы 3. На волноводный вход 4, согласованный с замедляющей системой соединением 7 типа «трой ник», поступает электромагнитное поле обыкновенной волны, ко торое трансформируется в замедляющей системе в электромаг нитное поле ряда пространственных гармоник. На одной из про странственных гармоник, удовлетворяющей условию фазового син хронизма приборов типа О, происходит описанное выше взаимо действие электронного потока с продольным электрическим по лем гармоники и её усиление за счет торможения электронов. Уси ленное поле пространственных гармоник трансформируется на вол новодном выходе 5 в поле обыкновенной волны, а электроны осе дают на коллекторе 6. В результате происходит усиление электро магнитного поля обыкновенной волны, поступившей на вход уст ройства. В силу низкой добротности замедляющей системы ЛБВО является широкополосным усилителем СВЧ (ширина полосы уси ливаемых частот достигает 50 % от среднего значения частоты).

Поскольку в широкой полосе частот трудно получить хорошее со гласование волноводов с замедляющей системой, в приборе возмож ны отражения электромагнитных волн на конце замедляющей сис темы. Это может привести к самовозбуждению ЛБВО, в результа те которого она перестанет выполнять функции усилителя. Для уст ранения самовозбуждения вводится поглотитель 8, который может быть выполнен в виде стержня из поглощающей керамики или в виде поглощающих пленок.

Элементы линейной теории ЛБВО В линейной теории ЛБВО предполагается, что все переменные составляющие величин, характеризующих электронный ток в при боре, много меньше их постоянных составляющих. Задачу взаимо действия электронного потока с полем волны рассматривают в три этапа ([3]).

На первом этапе анализируют возбуждение электромагнитных волн в замедляющей системе при помощи сгруппированного элект ронного потока. На втором этапе анализируют процесс группировки электронов полем пространственных гармоник замедляющей сис темы. На третьем этапе совместно решают уравнения, которые по лучились на первых двух этапах. В результате получают дисперси онное уравнение ЛБВО.

Последнее имеет вид:

RсвI0heh2h0 = 2U0(h2 - h2)(he - h)2, (4.2) где h0 – постоянная распространения волн без электронного по тока, h – постоянная распространения волн с электронным потоком, he = /Ve.

Уравнение (4.2) имеет четыре корня, определяющие постоян ные распространения волн в замедляющей системе ЛБВО. Из них интерес представляют лишь те, которые удовлетворяют условию фазового синхронизма приборов типа О. Предположим, что ско рость волны без электронного потока равна скорости электронов, и рассмотрим волны, скорость которых отличается на незначитель ную величину, т.е.:

h0 = he, h = he -, << 1. (4.3) Тогда из (4.2) и (4.3) получим RсвI0h2 (h2 - 2he + 2) = 2U0(2he - 2)2. (4.4) e e Отбрасывая в скобках правой и левой частей (4.4) члены более высокого порядка малости, имеем RсвI0h4 = 4U0he3, e или, иначе, 3 = h3 С3, С = (RсвI0/4U0)1/3. (4.5) e Уравнение (4.5) имеет три корня:

1 = heC, 2 = - heC(1 + 3i)/2, (4.6) 3 = - heC(1 - 3i)/2.

Эти корни соответствуют трем волнам, которые распростра няются в направлении движения электронов, имеют одинаковую структуру поля, но при этом обладают различными постоянными распространения:

h1 = he(1 - C), h2 = he(1 + C/2) + 3i heC/2, (4.7) h3 = he(1 + C/2) - 3i heC/2.

Четвертая волна в (4.5) не учитывается, поскольку предполо жение (4.3) выполняется лишь для первых трех волн. Эта волна распространяется навстречу электронному потоку и имеет посто янную распространения h4 = - he(1 - C3/4).

Поскольку изменение волн вдоль оси z происходит по закону eihz, то из (4.7) следует, что амплитуда первой и четвертой волн остается постоянной, амплитуда второй волны экспоненциально убывает, а амп литуда третьей волны экспоненциально возрастает вдоль замедляю щей системы. Третья волна используется для усиления мощности СВЧ колебаний в ЛБВО.

Параметры и характеристики ЛБВО Коэффициент усиления. Энергия электромагнитного поля на входе ЛБВО распределяется поровну между тремя волнами, поэто му амплитуда продольной составляющей электрического поля каж дой волны в начале замедляющей системы равна Ez=o/3, а в конце – Ez=l = (1/3)Ez=0exp(ihl) = (1/3)Ez=0exp(3heCl/2). (4.8) Постоянная распространения в системе без электронного по тока (h0) для пространственной гармоники с длиной волны равна 2/, поэтому hel = h0l = 2l/ = 2N, где N = l/ – электрическая длина замедляющей системы.

Следовательно, амплитуда поля в конце замедляющей системы Ez=l = (1/3)Ez=0exp(3CN).

Таким образом, для коэффициента усиления по мощности имеем:

К р = 10lg(E2 /E2 ) = 20lg[(1/3)exp(3CN)] = 47,3CN - 9,54. (4.9) z=l z= В выражении (4.9) необходимо учесть потери в поглотителе (L), поэтому окончательно:

Кр = 47,3CN - L - 9,54, дБ. (4.10) Формула (4.10) используется при расчетах ЛБВО в режиме малого сигнала (линейный режим). Параметр С называют пара метром усиления. Существуют пределы, ограничивающие рост коэффициента усиления с увеличением N. При больших N линей ная теория ЛБВО оказывается несправедливой на конечном учас тке ЛБВО. Кроме того, появляется возможность самовозбужде ния прибора вследствие отражения сигнала от нагрузки (для борь бы с самовозбуждением и применяют поглотитель). Поэтому ре ально достижимое значение коэффициента усиления ЛБВО средней и большой мощности составляет 25–40 дБ, т.е. несколько ниже, чем у многорезонаторных клистронов (60 дБ).В маломощных ЛБВО ко эффициент усиления может достигать 60 дБ.

Амплитудная характеристика.

Типичная зависимость выходной Рвых мощности и коэффициента усиления от уровня входной мощности приве дена на рис. 4.3. Начальный участок Ку линеен. С увеличением входной мощ ности наступает насыщение, вызван Рвх ное смещением сгустка в область ну Рис. 4. левого значения поля.

Коэффициент усиления ЛБВО имеет наибольшее значение на линейном участке характеристики, а электронный КПД – в её мак симуме. Поэтому при работе ЛБВО в качестве входного усилите ля слабого сигнала используют линейный участок;

при работе в качестве выходного усилителя мощного сигнала – участок макси мума КПД.

Коэффициент полезного действия.

Максимальное значение электронного КПД у ЛБВО наблю дается в нелинейном режиме при не очень больших значениях па раметра усиления (С < 0,1) и составляет сравнительно небольшую величину э max = (2 - 3)С. (4.11) Для увеличения КПД необходимо повышать сопротивление свя зи замедляющей системы и увеличивать отношение I0/U0.

Широко применяются два метода: метод изохронизма и ме тод рекупирации электронов.

Метод изохронизма основан на применении замедляющих си стем с переменным коэффициентом замедления, постепенно уве личивающимся к выходу прибора (изохронные ЛБВО).

В изохронных ЛБВО электроны, тормозясь в поле волны и те ряя свою скорость, не смещаются в ускоряющий полупериод поля вследствие одновременного уменьшения фазовой скорости усили ваемой волны. Это позволяет отобрать дополнительную кинети ческую энергию у электронного потока и повысить выходную (по лезную) мощность при прежней мощности источника питания.

Метод рекупирации электронов основан на их торможении пос ле замедляющей системы в поле коллектора, для чего потенциал коллектора делают ниже потенциала замедляющей системы. Тор можение приводит к возврату (рекупирации) части оставшейся ки нетической энергии электронов электростатическому полю коллек тора и уменьшению потерь на нагрев коллектора вследствие умень шения кинетической энергии рассеяния электронов. Поскольку в пучке присутствуют электроны с различными скоростями, наибольшее уве личение КПД достигается в секционированных коллекторах, где на секции подаются различные потенциалы. Степень допустимого по нижения напряжения на коллекторе определяется распределением электронов по скоростям и ограничивается возможностью возник новения обратной связи (за счет возвращающихся электронов), ко торая приводит к нагреву замедляющей системы.

Частотная характеристика ЛБВО определяет зависимость выходной мощности (или коэффициента усиления) от частоты при фиксированном значении входной мощности. По этой характерис тике можно определить ширину рабочей полосы частот ЛБВО, ко торая в зависимости от добротности замедляющей системы со ставляет от нескольких десятков до ста процентов средней часто ты диапазона.

Фазовая характеристика ЛБВО определяет зависимость раз ности фаз колебаний на входе и выходе ЛБВО от различных причин:

частоты усиливаемых колебаний, изменения ускоряющего напряже ния, тока пучка и т.д. По этой характеристике можно определить такие искажения широкополосных сигналов, усиливаемых ЛБВО, как изменение фазы сигнала на выходе в зависимости от его уровня на входе и появление в спектре выходного сигнала составляющих с частотами, кратными частотам усиливаемых сигналов.

Шумовые характеристики. Наиболее существенными в ЛБВО являются собственные шумы электронного потока. Эмис сия с катода вызывает шумы в виде случайных изменений плотно сти конвекционного тока и скоростей электронов (дробовой эффект).

Уровень этих шумов зависит от конструкции электронной пушки, и для его снижения применяют электронные пушки специальной мно гоанодовой конструкции. Возникновение собственных шумов ЛБВО связано также с тепловыми шумами замедляющей системы, кото рые пропорциональны абсолютной температуре. Для снижения этих шумов ЛБВО необходимо охлаждать, например, до температуры жидкого азота. Коэффициент шума современных промышленных ЛБВО 10–12 дБ, поэтому на частотах до 18 Ггц они вытесняются транзисторными усилителями.

Особенности применения и устройства ЛБВО.

Лампы бегущей волны типа О в зависимости от уровня вы ходной мощности подразделяются на маломощные (до 1 Вт), сред ней мощности (до 100 Вт), большой мощности (до 100 кВт) и сверх мощные (более 100 кВт). По режиму работы они бывают импуль сного и непрерывного действия. В ЛБВО малой и средней мощно сти применяют спиральные замедляющие системы, в мощных ЛБВО – цепочки связанных резонаторов. Маломощные ЛБВО при меняются во входных усилителях, средней мощности – в про межуточных усилителях, большой – в выходных усилителях мощ ности СВЧ колебаний.

4.2. Лампа обратной волны типа О Лампой обратной волны типа О (сокращенно ЛОВО) называ ют электровакуумный прибор СВЧ диапазона, в котором использу ется длительное взаимодействие сгруппированного потока элект ронов с обратной пространственной гармоникой электромагнитной волны, распространяющейся вдоль замедляющей системы.

Устройство и принцип действия Устройство ЛОВО схематически показано на рис. 4.4, где 1 – электронная пушка, 2 – вывод энергии, 3 – замедляющая система, 4 – поглотитель, 5 – коллектор, 6 – фокусирующая система.

2 3 1 - + U k U - + Рис. 4. Электронная пушка, конструкция которой аналогична электрон ной пушке ЛБВО, создаёт пучок электронов, движущийся к коллек тору. Заданное сечение пучка сохраняется постоянным при помощи фокусирующей системы. Электронный поток создает в замедляю щей системе наведенный ток и электромагнитное поле простран ственных гармоник. На одной из пространственных гармоник, для которой выполнено условие фазового синхронизма (Ve Vф), начи нается взаимодействие электронного потока с полем волны. В отли чие от ЛБВО, в ЛОВО электронный поток взаимодействует с об ратными пространственными гармониками, для которых направле ния фазовой и групповой скоростей противоположны. При таком взаимодействии электроны, группируясь в сгустки и тормозясь в поле волны, движутся к концу замедляющей системы, а электро магнитная энергия волны им навстречу, к началу замедляющей системы. В результате возникает положительная обратная связь между полем волны и электронным потоком, при которой волна, отдавая часть своей энергии на группировку электронов, приобре тает большее её количество за счет взаимодействия с более сгруп пированным электронным потоком.

В результате, как и в любом автогенераторе, в ЛОВО уста навливаются колебания стационарной амплитуды, определяемой балансом мощностей (см. ниже). Так как сопротивление связи про странственных гармоник резко уменьшается с увеличением номе ра гармоники, в ЛОВО используются замедляющие системы, в которых обратная пространственная гармоника является основной либо минус первой (системы типа встречных штырей или двухза ходной спирали). Вследствие трудностей широкополосного согла сования волноводного выхода ЛОВО с замедляющей системой в ЛОВО возможны отражения от нагрузки. Последнее приводит к колебаниям выходной мощности ЛОВО, и для устранения этого эффекта в ЛОВО применяют поглотитель.

Баланс фаз Для самовозбуждения ЛОВО необходимо обеспечить усло вие наилучшей передачи энергии электронного потока СВЧ полю возбуждаемой волны, которое состоит в том, чтобы образовавший ся сгусток электронов не выходил из тормозящего полупериода поля. Это означает, что необходимо, чтобы относительный сдвиг фаз волны и сгустка не превышал, т.е.

= l/Vф(-1) - l/Ve =. (4.12) Первое слагаемое в (4.12) характеризует изменение фазы волны при её движении вдоль замедляющей системы длиной l, второе слагаемое – изменение фазы электронного сгустка за время его движения на этом же пути, но в противоположном направлении.

Очевидно, что в общем случае может быть равно нечет ному числу :

l/Vф(-1) - l/Ve = (2n + 1), n = 0, 1, 2... (4.13) Таким образом, условие фазового баланса может выполнять ся при различных углах пролета электронных сгустков в поле вол ны. При n = 0 электронный сгусток смещается относительно вол ны на угол (основной вид колебаний);

при n = 1 на 3 (колебания первого порядка) и т.д. в зависимости от значения n. Число n назы вают порядком колебаний в ЛОВО, или номером зоны генера ции. Переход от одной зоны генерации к другой осуществляется при помощи изменения Ve,которое, в свою очередь, определяется изменением U0, поскольку Ve = (2eU0/m)1/2.

Перепишем уравнение фазового баланса еще раз, решив его относительно длины волны генерируемых колебаний ( = 2c/) и подставив численные значения e и m :

= 2l(2n+1)-1(c/Vф(-1) - 505/U0). (4.14) Из (4.14) следует, что для каждого возможного значения можно задать ряд значений U0, определяющих номер n зоны гене рации этих колебаний, а для каждого заданного значения n опреде лить диапазон изменения U0, в котором возможна генерация СВЧ колебаний ЛОВО от min до max (эти значения зависят от полосы пропускания замедляющей системы). Изменение длины волны (ча стоты) генерируемых колебаний при изменении напряжения U0, так же, как и в отражательном клистроне, называется электрон ной перестройкой частоты. Наличие этого эффекта объясняется тем, что при изменении U0 происходит изменение скорости электро нов и (по условию фазового синхронизма) скорости пространствен ной гармоники (Vф~Ve). Поскольку пространственные гармоники об ладают свойством дисперсии [7], то при изменении их фазовой ско рости меняется и частота генерируемых колебаний. Поскольку для обратных пространственных гармоник дVф/д > 0, то с увеличени ем напряжения U0 частота генерируемых колебаний растет. Степень изменения длины волны генерируемых колебаний при изменении на пряжения U0 оценивается крутизной электронной перестройки:

Sэл = д/ дU0 = (/2U0)(1 + Ve/Vгр)-1. (4.15) С уменьшением длины волны крутизна перестройки снижается.

Баланс мощностей Как и в любом автогенераторе, условие самовозбуждения ЛОВО не ограничивается только одним требованием выполнения фазового баланса. Энергия, получаемая волной в результате взаимодействия с электронным потоком, должна быть, с учетом вычета потерь, доста точной для поддержания группировки электронов. Поэтому генера ция колебаний в ЛОВО начинается с определенного минимального значения анодного тока, который называется пусковым. В нели нейной теории ЛОВО [8] показано, что пусковой ток для основного типа колебаний (n = 0) определяется приближенным соотношением Iп0 = 0,124U0/RсвN3. (4.16) С ростом номера колебаний пусковой ток значительно увели чивается, поэтому генераторы на ЛОВО обычно рассчитываются на возбуждение колебаний основного порядка. Для предотвраще ния самовозбуждения колебаний высших порядков соответствую щим образом выбирается длина замедляющей системы (l = N).

Её величина должна быть такой, чтобы выполнялось условие [8] Iп1 > I0опт ~ (3-5)Iп0, (4.17) которое заключается в том, что пусковой ток колебаний первой зоны генерации Iп1 должен быть выше оптимального значения анодного тока I0опт ~ (3-5)Iп0, при котором электронный КПД ЛОВО имеет максимальное значение для основной зоны генерации.

Режим регенеративного усиления. Лампа обратной вол ны может быть применена и для усиления СВЧ сигнала. Для этого у коллекторного конца замедляющей системы размещают ввод усиливаемого сигнала. Принцип действия такого усилителя на ЛОВО не отличается от принципа действия генератора, но элект ронный режим по анодному току должен быть выбран таким, что бы исключалась возможность самовозбуждения (I0 < Iп0). Такой усилитель пригоден лишь для слабых сигналов, но его коэффици ент усиления теоретически может быть очень большим (при при ближении анодного тока к пусковому). Зависимость коэффициента усиления от частоты имеет вид узкой резонансной кривой, положе ние максимума которой определяется условием синхронизма. При изменении анодного напряжения максимум усиления смещается по оси частот, и это позволяет использовать регенеративные уси лители на ЛОВО для селективного усиления сигналов с электрон ной перестройкой резонансной частоты в широких пределах.

Параметры и характеристики генераторов на ЛОВО Диапазон рабочих частот. Параметры замедляющей сис темы и электронный режим ЛОВО рассчитываются на рабочую частоту генерируемых колебаний с учетом необходимости элект ронной перестройки в некотором диапазоне частот. Величина это го диапазона оценивается коэффициентом перекрытия = max /min.

Значение различно для разных рабочих частот. Так, в децимет ровом и сантиметровом диапазонах длин волн ~ (2 - 2,5), в мил лиметровом – ~ (1 - 1,1). Величины граничных частот определя ются возможными изменениями U0 и I0, а также допустимой мощ ностью генерируемых колебаний.

Выходная мощность генератора на ЛОВО может быть оце нена с помощью приближенной формулы [8] Рвых = 2U0(I0 - Iп0)/N. (4.18) Обычно ЛОВО используется для генерации колебаний неболь шой мощности от милливатт до нескольких ватт. В настоящее вре мя они почти полностью вытеснены генераторами на диодах Ганна.

Электронный коэффициент полезного действия ЛОВО не превышает нескольких процентов. Максимальное значение электронного КПД достигается при I0 ~ (3 - 5)Iп0 и составляет величину ~ (1,5 - 2)C.

Основные характеристики ЛОВО отображают (рис. 4.5) зависимости частоты, выходной мощности и крутизны перестрой ки от U0.

Рвых ;

Sэл Рвых max 0,5Рmax Sэл min U0min U0max Рис. 4. Вследствие отражений от поглотителя и ряда других причин кривая Рвых(U0) немонотонна. Диапазон рабочих частот может быть оценен по допустимым пределам изменения выходной мощности.

На рис. 4.5 показаны значения min и max, соответствующие значе ниям U0min и U0max, при которых выходная мощность уменьшается вдвое.

4.3. Гибридные приборы типа О Наиболее интересными из гибридных приборов типа О явля ются клистроны с распределенным взаимодействием и твис троны.

Катод Коллектор а Катод Коллектор б ----- Рис. 4. В клистроне с распределенным взаимодействием (рис. 4.6а) ре зонаторы заменены короткозамкнутыми отрезками замедляющих си стем. Увеличение КПД по сравнению с обычным клистроном объяс няется более эффективным группированием пучка в протяженных резонаторах. Низкая добротность резонаторов позволяет увеличить и полосу рабочих частот. В результате КПД увеличивается до 60 % при ширине полосы 3 %.

Твистрон (рис. 4.6б) отличается от клистрона с распреде ленным взаимодействием тем, что на входе прибора использует ся группирователь широкополосного многорезонаторного клист рона, а на выходе – согласованный на концах отрезок замедляю щей системы. В результате получается усилитель с высоким уров нем импульсной выходной мощности (сотни киловатт), высоким КПД (до 60 %) и большим коэффициентом усиления (до 40 дБ) при относительно широкой полосе пропускания (до 10 %).

Твистроны и клистроны с распределенным взаимодействи ем применяются в наземных и корабельных радионавигационных станциях.

Контрольные вопросы 1. Объясните условие фазового синхронизма приборов типа О.

2. Изобразите устройство ЛБВО и объясните назначение основ ных его элементов.

3 Объясните принцип действия ЛБВО.

4. На каких приближениях основана линейная теория ЛБВО?

5. Назовите и объясните основные характеристики ЛБВО.

6. Объясните основные методы повышения КПД ЛБВО.

7. Изобразите устройство ЛОВО и объясните назначение основ ных его элементов.

8. Объясните принцип действия ЛОВО.

9. Объясните условие баланса фаз для генератора на ЛОВО.

10. Объясните принцип электронной перестройки частоты ЛОВО.

11. Объясните условие баланса мощностей для генератора на ЛОВО.

12. Объясните режим регенеративного усиления на ЛОВО.

13. Назовите основные характеристики генераторов на ЛОВО.

14. Назовите гибридные приборы типа О и объясните принцип их работы.

15. Объясните преимущества гибридных приборов типа О по срав нению с пролетными многорезонаторными клистронами и ЛБВО.

Т Е М А ПРИБОРЫ ТИПА М 5.1. Движение электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях Приборами типа М называют электровакуумные СВЧ прибо ры, в которых движение электронов происходит в скрещенных элек трическом и магнитном полях. В отличие от приборов типа О, в приборах типа М в электромагнитную энергию СВЧ поля перехо дит потенциальная энергия сгруппированных электронов. Для ус тановления основных принципов работы СВЧ приборов типа М рас смотрим движение электронов в пространстве, где есть скрещен ные (взаимно перпендикулярные) электрические и магнитные поля.

Движение электронов в стационарных электрическом и магнитном полях Рассмотрим область пространства, где есть постоянное элек трическое поле с напряженностью Е0 и постоянное магнитное поле с индукцией В, направленной от читателя перпендикулярно плос кости чертежа (рис. 5.1, плоские электроды).

При выбранном положении системы у координат будем считать:

х Ex = Ez = 0, Ey = -E0, В By = Bz = 0, Bx = B. (5.1) V В произвольной точке с траектории с А - В на электрон, движущийся со Е0 А скоростью V, действует сила В z F = -eE - e[V х В]. (5.2) Рис. 5. В выбранной системе коорди нат уравнения движения электрона можно записать как m(d2z/dt2) = eVyB, m(d2y/dt2) = eE0 - eVzB (5.3) и переписать в следующем виде:

(d2z/dt2) = ц(dy/dt) (d2y/dt2) = (e/m)E0 - ц(dz/dt) (5.4) ц = eB/m.

Параметр ц = eB/m называют угловой циклотронной час тотой кругового движения электрона в однородном магнитном поле.

Допустим, что в начальный момент времени t = 0 электрон находился в начале координат x = y = z = 0 и имел скорость dx/dt = dy/dt = 0, dz/dt = V0. Решая (5.4) с учетом поставленных условий, получим:

z = a + rsin(цt), y = r[1 - cos(цt)], (5.5) где приняты обозначения:

a = (E0/B)t = Vпt, r = (Vп - V0)/ц. (5.6) Параметр Vп = E0/B называют переносной скоростью по ступательного движения электронов в скрещенных электрическом (Е0) и магнитном (В) полях. Из (5.5) следует:

(z - a)2 + (y - r)2 = r2. (5.7) Уравнение (5.7) показывает, что движение электрона в скре щенных электрическом и магнитном полях состоит из поступатель ного движения со скоростью Vп и вращения по окружности радиу са r с угловой частотой ц. На рис. 5.2 показано два частных слу чая этого движения для плоских электродов: 1) V0 = 0 и 2) V0 = Vп.

у с r z Рис. 5.2.

Если V0 = Vп, то r = 0 и электрон движется по прямой со ско ростью V = Vп. Если V0 = 0, то r = r0 = Vп/ц = mE0/eB2 и электрон движется по циклоиде со скоростью V = Vп + [ц x r0]. В соответ ствии с (5.2) при движении по прямой электрическая и магнит ная силы, действующие на электрон, равны и противоположны друг другу. Кинетическая и потенциальная энергии электрона не изменяются. При движении по циклоиде электрическая сила остается постоянной, а магнитная изменяется от нуля при у = до 2[Vп х B] при у = 2r0. Кинетическая и потенциальная энергии электрона при этом периодически переходят друг в друга (по тенциальная энергия максимальна при y = 0, а кинетическая – при y = 2r0 ).

Отметим, что при движении электронов в постоянных скрещен ных электрическом и магнитном полях механическая энергия элек тронов остается постоянной и энергообмен с полем не происходит.

В приборах типа М нашли широкое применение цилиндрические электроды. Движение электронов в этом случае удобнее рассматри вать в цилиндрической системе координат. Отметим, что и в этом случае движение электронов можно представить как сумму поступа тельного движения с переносной скоростью Vп = Е0/B и вращения по окружности радиуса r = (Vп - V0)/ц с угловой циклотронной частотой ц = eB/m, если иметь в виду, что поступательное движение происхо дит по окружности радиуса R + r, где R – радиус внутреннего цилин дрического электрода. Траекториями движения электронов для рас смотренных выше частных случаев V0 = Vп и V0 = 0, будут, соответ ственно, служить окружность и эпициклоида (траектория точки диска, катящегося по цилиндрической направляющей).

Режимы работы приборов типа М.

Как было показано выше (рис. 5.2), максимальное удаление электронов от катода (5.8) уmax = 2r0 = 2Vп/ц = 2mE0/eB2.

При постоянном значении индукции магнитного поля эта величина определяется напряженностью электрического поля между като дом и анодом (потенциалом анода). Если расстояние между ка тодом и анодом равно d, то при E0 = Е0 кр = (eB2/2m)d (5.9) электроны будут касаться анода.

Соответствующий потенциал анода Uа = Uа кр = (eB2/2m)d2 (5.10) называется критическим потенциалом (плоские электроды).

Для цилиндрических электродов его выражение имеет вид Uа кр = (eB2ra2/8m)[1 - (rк/rа)2], (5.11) где ra и rk – радиусы анода и катода, соответственно.

В зависимости от величины Ua выделяют три режима работы при боров типа М:

- докритический, при котором Ua > Ua кр, - критический, при котором Ua = Ua кр, - закритический, при котором Ua < Ua кр.

Движение электронов в нестационарных скрещенных электрическом и магнитном полях В приборах типа М к рассмотренному выше взаимодействию электронов со стационарными скрещенными электрическим и маг нитным полями добавляется взаимодействие электронов с СВЧ по лем волны. Для создания этого поля используются замедляющие системы, трансформирующие электромагнитное поле обыкновен ной волны в электромагнитное поле пространственных гармоник.

Обычно в приборах типа М для взаимодействия с электронами ис пользуется нулевая (прямая или обратная) пространственная гар моника. Механизм этого взаимодействия удобнее рассматривать в подвижной системе координат (x/ y/ z/ ), перемещающейся вдоль оси z неподвижной системы координат (x y z ) с фазовой скоростью вол ны (рис. 5.3).

y/ V E oz z y E E z/ o y Рис. 5. В подвижной системе координат (x/ y/ z/ ), где x/ = x, y/ = y, z/ = z + Vфt, (5.12) силовые линии электромагнитного поля волны неподвижны, поэто му при рассмотрении взаимодействия электронов с СВЧ полем мож но воспользоваться выводами, сделанными ранее для стационар ных полей.

Предположим, что в пространство взаимодействия на высоте у входит тонкий электронный поток. Если начальная скорость потока Vo z = Vп = Е0/B, (5.13) то в статическом режиме (без СВЧ поля) электроны движутся далее прямолинейно с той же скоростью. При переходе в подвиж ную систему координат скорость электронов уменьшается на вели чину Vф, что эквивалентно уменьшению магнитной силы на вели чину F = eVфВ. Для того, чтобы движение электронов осталось прямолинейным, необходимо уменьшить на это же значение и электрическую силу, т.е. уменьшить напряженность электриче ского поля Е0 до некоторого эквивалентного значения E/ = E0 - F/e = E0 - VфВ = E0(1 - Vф/Vп). (5.14) Таким образом, для того, чтобы в подвижной системе коорди нат можно было использовать выводы, полученные выше для ста тических полей, необходимо вместо напряженности поля Е0 брать сумму напряженности эквивалентного поля Е/ и напряженности СВЧ поля Е, составляющие которого показаны на рис. 5.3 как Ey и Ez.

Рассмотрим частный случай, когда Vп = Vф, т.е. относитель ная начальная скорость электронов в подвижной системе коорди нат равна нулю и Е/ = 0. В этом случае в подвижной системе координат останутся только составляющие СВЧ поля. Движение электронов при этом можно представить суммой поступательного движения со скоростью V/ = Е/B и вращения по окружности ради п уса r/ = V/ /ц с угловой циклотронной частотой ц = eB/m. По п скольку направление V/ (показано на рис. 5.4) совпадает с направ п лением векторного произведения [E x B], то электроны будут пере мещаться по циклоидам (показано на рис. 5.5), расположенным вдоль эквипотенциальных линий электрического поля волны (нор мали к силовым линиям поля).

V/п В Ey > 0 В В Ez < 0 B V/п V/п Ey < Ez > V/п y/ Рис. 5. Ez > 0 Ez < Ey <0 Ey>0 Ey>0 4 5 6 Ey< 1 2 z/ Рис. 5. Как показано на рис. 5.5, в положительном полупериоде про дольной составляющей СВЧ поля (Ez > 0) происходит группировка электронов (1, 2, 3) и их смещение к аноду. В отрицательном полупериоде электроны (4, 5, 6) разгруппировываются и смещаются к катоду.

Полупериод Ez > 0 называют тормозящим полупериодом СВЧ поля, полупериод Ez < 0 – ускоряющим полупериодом СВЧ поля.

Для объяснения особенностей энергообмена электронов с СВЧ полем вернемся к неподвижной системе координат (рис. 5.6).

y + U Ez > Ez < z Рис. 5. В этой системе циклоидальные траектории движения элект ронов вытягиваются по сравнению со случаем подвижной систе мы вправо из-за пересчета скорости. В тормозящем полуперио де электроны, перемещаясь по циклоидам, смещаются к аноду;

в ускоряющем – остаются у катода (ленточный поток электронов вводится вблизи его поверхности). На каждом циклоидальном уча стке траектории движения электронов происходит периодическое изменение их скорости и кинетической энергии, но в среднем эти величины остаются постоянными. В результате передача энер гии от электронного потока СВЧ полю происходит лишь в тормо зящем полупериоде СВЧ поля за счет уменьшения потенциаль ной энергии электронов (последняя максимальна на катоде и ми нимальна на аноде). Кинетическая энергия, участвуя в процессе взаимодействия электронов с СВЧ полем, служит лишь посред ником, так как ее значение периодически восстанавливается. В этом состоит принципиальное отличие приборов типа М от при боров типа О.

Условие синхронизма. При анализе движения электронов предполагалось, что V0z = Vп = Vф. (5.15) При этом условии электроны, начавшие движение в тормозя щем полупериоде, все время остаются в благоприятной фазе и пе редают свою энергию СВЧ полю. Поэтому соотношение (5.15) на зывают условием фазового синхронизма для приборов типа М.

5.2. Лампа бегущей волны типа М (ЛБВМ) По конструкции лампы бегущей волны типа М делятся на плос кие и цилиндрические. На рис. 5.7 показана плоская ЛБВМ.

4 5 2 В В Еупр Е0 + Voz Uупр _ + 1 9 U _ Рис. 5. Лампа имеет две основные части: инжектирующее устройство и пространство взаимодействия. Инжектирующее устройство, состоящее из подогреваемого катода 1 и управляющего электрода 2, обеспечивает создание ленточного электронного потока 3 и ввод его в пространство взаимодействия, состоящее из волноводно го входа 4, поглотителя 5, замедляющей системы-анода 6, волно водного выхода 7, коллектора 8 и холодного катода 9, обеспечива ющих взаимодействие электронов с СВЧ полем. Для создания та кого взаимодействия необходимо выполнение условия Vоz = Vп, поэтому величины Uупр и U0 выбираются такими, чтобы Voz = 2Eупр/B = Vп = E0/B, => E0 = 2Eупр. (5.16) При выполнении условия (5.16) электроны, в отсутствие СВЧ поля, прямолинейно движутся к коллектору. Параметры прибора вы бирают таким образом, чтобы при появлении на входе замедляю щей системы СВЧ сигнала на одной из его пространственных гар моник выполнялось условие (5.15) фазового синхронизма приборов типа М. В этом случае в тормозящих полупериодах электрическо го поля этой гармоники будет происходить увеличение энергии СВЧ сигнала за счет уменьшения потенциальной энергии электронов по рассмотренному выше (рис. 5.5 - 5.6) механизму взаимодействия электронов с переменными скрещенными полями. Усиленный СВЧ сигнал поступает на выход замедляющей системы, а электроны оседают на коллекторе.

Лампа бегущей волны типа М, также, как и лампа бегущей волны типа О, является широкополосным усилителем, и поэтому в ней возможно самовозбуждение за счет отражения усиливаемого сигнала от выхода замедляющей системы. Для предотвращения самовозбуждения применяется поглотитель.

Параметры и характеристики ЛБВМ Коэффициент усиления. Анализ взаимодействия электромаг нитной волны с электронным потоком в усилителе на ЛБВМ [1] показывает, что по мере распространения от начала к концу замед ляющей системы амплитуда волны нарастает по закону Ez=l = Ez=0eal, a = (w/Vф)D, D = (I0Rcw/E0Vф)1/2, (5.17) где Ez=0 и Ez=l – амплитуды волны в начале и в конце замедляющей системы;

w – круговая частота, Vф – фазовая скорость простран ственной гармоники (обычно это основная гармоника);

E0 – напря женность постоянного электрического поля в пространстве взаимо действия;

I0 – ток коллектора;

Rc – cопротивление связи;

D – пара метр усиления.

Как и в ЛБВО, для коэффициента усиления можно записать:

Kp = 10 lg(E2 /E2 ) = 20lg(el) = 54,6DN, дБ, (5.18) z=l z= где N = l /в – электрическая длина замедляющей системы.

В выражении (5.18) необходимо дополнительно учесть потери в поглотителе (L дБ) и замедляющей системе (~6 дБ), так что, окон чательно:

Kp = 54,6DN - L - 6, дБ. (5.19) В реальных лампах коэффициент усиления достигает 40 дБ и более.

Амплитудная характеристика. Зависимости коэффициента усиления (Кр), выходной мощности (Рвых) и коэффициента полезного действия (hэл) от входной мощности (Рвх) показаны на рис. 5.8.

Кр Рвых эл Кр max Рвых эл Рвх Рвх Рвх опт Рис. 5. При малых уровнях входного сигнала амплитуда колебаний на выходе ЛБВМ и величина коэффициента усиления возрастают про порционально величине входного сигнала. Эта линейная связь со блюдается до тех пор, пока электроны не начнут попадать вместо коллектора на анод замедляющей системы. В этом случае замед ляется рост выходной мощности и коэффициент усиления ЛБВМ уменьшается. При некотором уровне входного сигнала (Рвх опт) на ступает режим насыщения, которому соответствуют максималь ный коэффициент усиления, максимальная выходная мощность и электронный КПД.

Электронный коэффициент полезного действия усили теля на ЛБВМ можно оценить исходя из того, что максимальная потенциальная энергия, которую электрон может передать СВЧ полю Еп = eU0, (5.20) где U0 – потенциал замедляющей системы-анода. Из этого вычи тается кинетическая энергия электрона, рассеиваемая в виде теп ла на поверхности замедляющей системы или коллектора Ек = (mV2 )/2 = m(E2 /B2)/2. (5.21) п Следовательно, максимальный электронный КПД э max = (Еп - Ек )/Eп = 1 - (m/e)(E2 /B2)/2U0. (5.22) В реальных приборах его величина не превышает 60 %.

Выходная мощность ЛБВМ в непрерывном режиме дости гает нескольких киловатт, в импульсном – нескольких мегаватт.

Полоса рабочих частот в усилителях на ЛБВМ достигает 30 % от средней рабочей частоты и определяется дисперсионной характеристикой замедляющей системы.

Коэффициент шума. Вследствие паразитных колебаний в об ласти формирования электронного луча, а также взаимодействия электронов с отраженной волной уровень собственных шумов в уси лителях на ЛБВМ весьма велик. В большинстве приборов отноше ние мощности полезного сигнала к мощности шумов не превышает 40 дБ.

Применение ЛБВМ. Высокий уровень собственных шумов ис ключает возможность применения ЛБВМ для усиления маломощ ных сигналов. Основное применение эти приборы нашли в качестве мощных импульсных выходных усилителей в дециметровом и сан тиметровом диапазоне длин волн.

5.3. Лампа обратной волны типа М (ЛОВМ) В лампах обратной волны типа М, которые могут быть как усилительными, так и генераторными устройствами, взаимодей ствие электронов осуществляется с обратной пространственной гар моникой СВЧ поля. В этих приборах обычно используются цилинд рические электроды. Схема устройства цилиндрической генера торной ЛОВМ показана на рис. 5.9. Устройство ЛОВМ сходно с устройством ЛБВМ:

1 – подогреваемый катод, 2 – управляющий электрод, 5 3 – электронный поток, 4 – волноводный выход, 4 5 – замедляющая система Vгр анод, 2 3 1 В 6 – холодный катод, 9 Vп Vф 7 – поглотитель, 8 – второй волноводный выход, 9 – коллектор, В – постоянное магнитное Рис. 5. поле.

Инжектирующее устройство (1 - 2) создаёт поток электронов (3), движущийся к коллектору (9). Электронный поток создает в замедляющей системе (5) наведенный ток и электромагнитное поле пространственных гармоник. На одной из пространственных гар моник, для которой выполнено условие фазового синхронизма (Vп = = Vф), начинается взаимодействие электронного потока с полем вол ны, при котором в тормозящих полупериодах электрического поля гармоники будет происходить увеличение её энергии за счет умень шения потенциальной энергии электронов. В отличие от ЛБВМ, в ЛОВМ электронный поток взаимодействует с обратными простран ственными гармониками, для которых направления фазовой и груп повой скоростей противоположны, поэтому электроны движутся к коллектору, а энергия волны им навстречу – к волноводному выхо ду прибора (4). В результате возникает положительная обратная связь между полем волны и электронным потоком, при которой вол на, отдавая часть своей энергии на группировку электронов, приоб ретает большее её количество за счет уменьшения потенциальной энергии сгруппированных электронов.

В результате в ЛОВМ устанавливаются колебания стационар ной амплитуды, определяемой балансом мощностей (см. ниже).

Вследствие трудностей широкополосного согласования волновод ного выхода ЛОВМ с замедляющей системой в ЛОВМ возможны отражения от нагрузки. Для устранения этого эффекта в ЛОВМ, как и в ЛОВО, применяют поглотитель (7). Так же, как и ЛОВО, ЛОВМ может быть использована в режиме регенеративного уси ления, для чего в приборе предусмотрен второй волноводный вы ход (8).

Баланс фаз. Как и в любом автогенераторе, для обеспечения самовозбуждения ЛОВМ сумма фазовых углов при обходе по кон туру автогенератора на ЛОВМ должна быть кратна 2p. Поскольку взаимодействие электронного потока с СВЧ полем пространствен ных гармоник в ЛОВМ осуществляется при равенстве Ve = Vф, то это условие выполняется автоматически, так как Dj = wl/Ve - wl/Vф = 0.

С другой стороны, согласно рассмотренному выше механиз му генерации СВЧ колебаний, амплитуда усиливаемой гармоники должна быть минимальной в конце замедляющей системы у кол лектора и максимальной в её начале у подогреваемого катода лам пы. Иначе говоря, на длине замедляющей системы l должно укла дываться нечетное число четвертей длин волны : 4l /L = (2n - 1), где n = 1, 2. 3,...

Поскольку L = 2p/a и по (5.17) a = (w/Vф)D, D = (I0Rcw/E0Vф)1/2, то условие фазового баланса можно записать в следующем виде:

(w/Vф)Dl = (2n - 1)p/2. (5.23) Из (5.23) следует, что различным значениям n должны соот ветствовать различные значения параметра усиления D и соответ ствующие им по (5.17) значения величин Е0 (или U0). Число n при этом (также, как и в ЛОВО) определяет номер зоны генерации ЛОВМ.

Иными словами, из (5.23) и (5.17) следует, что для каждого заданного значения n можно определить диапазон изменения U0, в котором возможна генерация СВЧ колебаний ЛОВМ от l min до l max (эти значения определяются полосой пропускания замедляющей си стемы).

Изменение длины волны (частоты) генерируемых колебаний в ЛОВМ при изменении напряжения U0 ( электронная перестройка частоты), как и в ЛОВО, объясняется тем, что с изменением U происходит изменение скорости электронов и (по условию фазового синхронизма) скорости пространственной гармоники.

Поскольку для обратных пространственных гармоник дVф/дw > 0, то с увеличением напряжения U0 частота гене рируемых колебаний растет.

Механизм электронной перестройки частоты в ЛОВМ отли чается от подобного процесса в ЛОВО тем, что скорость электро нов в ЛОВМ прямо пропорциональна U0 (в ЛОВО она пропорцио нальна корню из U0). Поэтому в ЛОВМ для достижения одинаково го с ЛОВО перекрытия частотного диапазона требуется меньшее изменение U0.

Кроме того, при линейной дисперсионной характеристике за медляющей системы зависимость w = f(U0) также получается линейной, что немаловажно для генераторов с перестраиваемой частотой.

Баланс мощностей. Условие баланса мощностей определя ет необходимую величину энергии, которая должна быть передана от электронов СВЧ полю волны. Пользуясь соотношениями (5.23) и (5.17), можно получить [1] формулу для величины пускового тока ЛОВМ:

Iп n = (2n-1)2Е0Vф /16wRcN2 = (2n-1)2E2 /16wRcBN2. (5.24) Как следует из (5.24), величина пускового тока возрастает с номером зоны генерации:

Iп n = (2n-1)2Iп 1, где Iп 1 = E2 /16wRcBN2. (5.25) Эта особенность связана с тем, что при увеличении n (n = 2, 3,..) поле волны меняет фазу и электронные сгустки, образующиеся в тормозящих полупериодах волны, попадают далее в ускоряющие полупериоды.

В результате начинается переформирование и смещение сгус тков в следующие тормозящие полупериоды электрического поля волны, что снижает эффективность энергообмена электронов СВЧ полем.

Другая наиболее важная особенность заключается в измене нии частоты генерируемых колебаний при смене зоны генерации.

При пусковых токах I0 > Iп 2 ЛОВМ может одновременно генериро вать колебания двух частот. Спектр генерируемых колебаний рас ширяется, и амплитуда колебаний основной частоты резко умень шается.

Режим регенеративного усиления. Как и ЛОВО, ЛОВМ мо жет быть применена для усиления СВЧ сигнала. Для этого у коллек торного конца замедляющей системы, как и в регенеративном уси лителе на ЛОВО, размещают ввод усиливаемого сигнала. Дополни тельным преимуществом усилителя на ЛОВМ, по сравнению с уси лителем на ЛОВО, является возможность электронного управления не только рабочей частотой, но и шириной полосы пропускания.

Параметры и характеристики генераторов на ЛОВМ Диапазон рабочих частот. Как и в ЛОВО, параметры за медляющей системы и электронный режим генераторов на ЛОВМ рассчитываются на рабочую частоту генерируемых колебаний с учетом необходимости электронной перестройки частоты. Обыч но они используются в диапазоне от 200 МГц до 20 ГГц с диапазо ном электронной перестройки частоты до 40 %.

Выходная мощность. Современные генераторы на ЛОВМ способны обеспечивать выходную мощность в непрерывном ре жиме порядка десятков киловатт в дециметровом и единиц кило ватт в сантиметровом диапазонах. В настоящее время они явля ются самыми мощными генераторами СВЧ колебаний с электрон ной перестройкой частоты. Синхронизированные генераторы на ЛОВМ обладают высокой стабильностью частоты и низким уров нем шумов, что позволяет их использование в системах связи с частотной модуляцией.

Электронный коэффициент полезного действия генера тора на ЛОВМ может быть в силу идентичности процессов опре делён по формуле (5.22), приведенной для усилителя на ЛБВМ:

э max = 1 - (m/e)(E2 /B2)/2U0.

В реальных приборах его величина достигает (50 - 60) %.

Основные характеристики генераторов на ЛОВМ отобра жают (рис. 5.10) зависимости выходной мощности, частоты и элек тронного КПД от напряжения U0.

Рвых, эл, Рвых эл U Рис. 5. Изменение величин Рвых,, эл от напряжения U0 объясняется и физическими процессами, рассмотренными выше.

5.4. Многорезонаторный магнетрон Устройство и принцип действия Устройство. Многорезонаторный магнетрон – генераторный прибор типа М, устройство которого показано на рис. 5.11.

N = 2 3 - + + E n = 5 Рис. 5.11 Рис. 5. Цилиндрический катод 1 эмитирует электроны со всей повер хности и создает замкнутый электронный поток, который движется с переносной скоростью в кольцевом зазоре 5 между катодом и замедляющей системой – анодом. Замедляющая система магнет рона представляет собой цепочку объёмных резонаторов 2, разме щенных в корпусе анодного блока 3 и связанных с кольцевым зазо ром через щели 4. Этот зазор является пространством взаимодей ствия электронов с СВЧ полем, энергия которого выводится через выход 6. Резонаторы сегментарно, через один сегмент, соединены между собой кольцевыми проводниками – связками 7, необходи мость которых будет пояснена ниже.

Принцип действия. Механизм возникновения незатухающих колебаний в магнетроне такой же, как и в любом автогенераторе.

Начальные колебания в резонаторах магнетрона возникают бла годаря флуктуациям электронного потока. Если на одной из про странственных гармоник этих колебаний будет выполнено усло вие фазового синхронизма для приборов типа М, то в тормозящих полупериодах электрического поля гармоники начнется группиров ка электронов в сгустки, их смещение к аноду и передача потен циальной энергии от электронов СВЧ полю. Рост поля будет да лее интенсифицировать процесс энергообмена, и при выполнении условий баланса фаз и амплитуд в магнетроне установится ста ционарный режим автоколебаний, при котором в пространстве вза имодействия возникают пульсации границ пространственного за ряда электронов, достигающие анода. Динамический простран ственный заряд приобретает форму «спиц», вращающихся вокруг катода с постоянной переносной скоростью. Число спиц простран ственного заряда равно числу тормозящих областей СВЧ поля, в пределах которых электроны, смещаясь от катода к аноду, под держивают СВЧ колебания за счет потери своей потенциальной энергии.

Баланс фаз. Помимо условия фазового синхронизма, в маг нетроне, как и в любом автогенераторе, суммарный фазовый сдвиг при обходе всех звеньев колебательной системы должен быть кра тен 2. Поэтому если на одно звено замедляющей системы (резо натор) приходится фазовый сдвиг, то для всей системы имеем условие:

N = 2 n, (5.26) где N – число резонаторов, n – целое число (номер колебаний).

Каждый резонатор замедляющей системы представляет собой полосовой фильтр, поэтому значение заключено в пределах 0 -.

Последнее означает, что число n может принимать только значения:

n = 0, 1, 2,..., N/2 -1, N/2, (5.27) а в магнетроне может быть только N/2 видов колебаний (N четно), из которых каждый имеет свою частоту и картину силовых линий СВЧ поля. Пример одной такой картины для n = 2 и N = 4 показан на рис. 5.12.

Колебания при n = 0 ( = 0) называют синфазными, а коле бания при n = N/2 ( = ) – противофазными, или -колеба ниями. Соотношение (5.26) называют условием цикличности СВЧ поля магнетрона.

Обычно в магнетроне используются -колебания, так как им соответствуют наименьшее анодное напряжение и наиболь ший КПД. Однако частота -колебаний близка к частоте коле баний соседнего вида, что затрудняет её выделение. Для увели чения разности частот в магнетроне применяются кольцевые связ ки 7, о которых сказано выше. Для -колебаний они соединяют точки с одинаковыми потенциалами и не изменяют картины поля.

Для всех остальных видов колебаний по связкам потекут уравни тельные токи, влияние которых эквивалентно подключению индук тивностей параллельно каждой паре резонаторов. Последнее оз начает повышение частот нерабочих видов колебаний магнетро на и их удаление от основной рабочей частоты -вида. Иногда для этой же цели в магнетронах вместо связок применяют чере дование резонаторов разных размеров (разнорезонаторные маг нетроны).

Баланс мощностей. Для обеспечения работы магнетрона требуются определенные значения анодного напряжения Ua и ин дукции магнитного поля B, обеспечивающие синхронное эпицик лоидальное движение электронов в спицах объёмного заряда и необходимый режим энергообмена между электронами и СВЧ полем.

Условие синхронного вращения спиц с изменением фазы СВЧ колебаний заключается в том, чтобы электроны оказывались в тормозящем поле вблизи каждого резонатора. Для -колебаний это означает, что время движения tc спицы между двумя соседними резонаторами tc = ( p +1/2 )T, (5.28) где p = 0, 1, 2, 3,.., Т – период СВЧ колебаний. Число р определяет угловую скорость 0 вращения спиц, максимальное значение кото рой достигается при р = 0, когда tc = Т/2, т.е. 0 max = 2/T.

Введем параметр k, равный числу периодов СВЧ колебаний, в течение которых электрон, пройдя мимо всех резонаторов, возвраща ется к исходной точке. Тогда время tc, выраженное в долях периода:

tc = kT/N, (5.29) что определяет k и соотношениями:

k = (p+1/2)N, = 2 /kT = 2 c/k, (5.30) где с – скорость света, l – длина волны -колебаний в магнетроне.

Для обеспечения заданной угловой скорости вращения элек трон, находящийся в спице у поверхности анода (r = ra), должен об ладать запасом кинетической энергии тангенциального движения = m( ra)2/2 = 2m c2(ra/k )2. (5.31) Е к Поскольку этот запас кинетической энергии электрон приоб ретает за счет энергии постоянного электрического поля (еUа), то соотношение (5.31) определяет минимальное значение анодного на пряжения, необходимого для синхронного вращения спиц Ua min = Uc = (2m c2/e)(ra/k )2. (5.32) Величина Uc называется потенциалом синхронизации.

Приблизившись к поверхности анода и отдав СВЧ полю свою потенциальную энергию, электрон должен быть удален из простран ства взаимодействия, поскольку в противном случае он отстанет от спицы и начнет отбирать энергию у СВЧ поля. Для того, чтобы электрон осел на аноде, кинетическая энергия его движения в ра диальном направлении вблизи анода должна быть больше нуля.

Следовательно, постоянное электрическое поле должно передать электрону дополнительную энергию, направленную на работу про тив магнитной силы Лоренца (Fл= eB r), действующей на элект рон в радиальном направлении (eUa) = В (ra2 - rk2)/2.

(5.33) Последнее означает, что анодное напряжение должно быть выше Uc:

Ua > Ua+Uc = Uп = Вw0(ra2 - rk2)/2 + Uc. (5.34) Величина Uп называется пороговым потенциалом.

Условие (5.34) определяет нижнюю границу Ua, но вместе с тем существует и верхняя граница Ua, определяемая критиче ским потенциалом Ua кр (5.11). При Ua > Ua кр электроны попадают на анод, не описывая эпициклоидальных траекторий и не взаимо действуют с СВЧ полем. Поэтому СВЧ колебания, даже если они и возникли, не поддерживаются за счет энергии электронов и за тухают.

Все сказанное выше определяет область рабочих напряже ний Ua :

Ua кр > Ua > Uп, (5.35) где Uа кр= (eB2ra2/8m)[1-(rк/rа)2], Uп= В0(ra2- rk2)/2 +(2m2c2/e)(ra/k)2.

Параметры и характеристики магнетронов Диапазон рабочих частот. Различные по назначению маг нетроны перекрывают диапазон частот 300 МГц – 300 ГГц. В мощ ных магнетронах применяют механическую перестройку частоты в пределах 10 – 15 % за счет введения стержней в резонатор (ин дуктивная настройка) или за счет перемещения колец у торцов ре зонаторов (емкостная настройка). Электронная перестройка час тоты у магнетронов мала и используется только в маломощных приборах.

Выходная мощность магнетронов непрерывного действия со ставляет от долей ватта до нескольких десятков киловатт, а им пульсного действия – до десятков мегаватт.

Электронный коэффициент полезного действия магнетрона определяется аналогично ЛБВМ и ЛОВМ:

= 1 - (m/e)(E2 /B2)/2U0.

э max Его величина в современных многорезонаторных магнетронах может достигать 70 % и более.

Применение магнетронов. Магнетроны используют в пере датчиках радиолокационных станций, в ускорителях заряженных ча стиц и в установках для высокочастотного нагрева.

5.5. Митрон Митроном называется генератор магнетронного типа с внешней колебательной системой низкой добротности, обладаю щий широким диапазоном электронной перестройки частоты.

Схема устройства митрона показана на рис. 5.13.

Высокочастотной системой митрона служит встречно-штыре вая замедляющая система 5, 6, свернутая в кольцо. Штыри 5 укреп лены на дисках 6.

Структура связана с внешней колебатель ной системой низкой добротности. Внутри анодной высокочас 3 тотной структуры, ко + торая является корпу 2 Ua сом прибора, находит + Uупр ся холодный катод 7.

Горячий эмитирую щий катод 1 располо Uн жен ниже анодной Рис. 5. структуры, вне обла сти взаимодействия.

Между горячим катодом и анодной структурой находится управля ющий электрод 2. Вся система элементов механически связана с помощью керамических шайб 3 и помещена между полюсами маг нита 4. Холодный катод 7 и один конец нити накала горячего катода соединены. Схема подачи напряжений: накала Uн, управляющего электрода Uупр и анода Ua показана справа.

Принцип работы. Кольцевой электронный поток входит в про странство взаимодействия, где в результате его азимутальных флук туаций возникают колебания магнетронного типа и электронный поток приобретает форму спиц. Митрон, как и магнетрон, работает на p-колебаниях. При регулировке анодного напряжения изменяет ся скорость вращения спиц, что приводит к электронной перестрой ке частоты. Диапазон перестройки достаточно велик из-за вынос ной колебательной системы и её низкой добротности. Зависимость частоты от напряжения линейна.

Параметры и характеристики. Современные митроны рабо тают в диапазоне частот от 200 МГц до 11 ГГц. Для митронов с узким диапазоном изменения частоты (5–20 %) выходная мощность в не прерывном режиме составляет 3–150 Вт, с широким диапазоном (при мерно в два раза) – 0.5–3 Вт. КПД мощных митронов достигает 60 %.

Применение. Митроны обычно применяют в качестве гете родинов широкополосных приёмников и генераторов качающейся частоты в генераторах стандартных сигналов.

5.6. Платинотрон Общие сведения. Устройство платинотрона показано на рис. 5.14.

Платинотрон, подобно магнетрону, имеет цилиндри Vгр ческий катод 1, параллельно оси которого направлено маг нитное поле. В отличие от маг нетрона, замедляющая систе ма 2 платинотрона является разомкнутой, т.е. имеет два вывода 4 и 5, как и в усилите лях на ЛОВМ. Выступы за медляющей системы через один (как и в магнетроне) со 5 единены связками 3. Разрыв Рис. 5. связок обеспечивает необходи мую разомкнутость системы.

Принцип работы. Взаимодействие электронов с СВЧ полем в платинотроне происходит на обратной пространственной гармонике, что делает платинотрон похожим с одной стороны на магнетрон (зам кнутый электронный поток), с другой – на ЛОВМ (разомкнутая за медляющая система и рабочая обратная пространственная гармо ника). Платинотрон может быть как усилителем, так и генератором СВЧ колебаний большой мощности. Усилительный платинотрон на зывается амплитроном, генераторный – стабилотроном.

Амплитрон. Если к концу 5 замедляющей системы плати нотрона подвести входной сигнал, то в замедляющей системе по явится СВЧ поле, которое начнет взаимодействовать с электрона ми. При выполнении условий синхронизма в пространстве взаимо действия образуются спицы пространственного заряда, которые, вращаясь вокруг катода, проходят к началу (входу) замедляющей системы. Для того, чтобы они могли двигаться в максимуме тор мозящего поля, необходимо, как ив магнетроне, выполнение усло вия цикличности (5.26). Число резонаторов должно быть, однако, нечетным, чтобы амплитрон не мог работать в режиме генерации колебаний -вида, подобно магнетрону.

Особенностью амплитрона является то, что устойчивые спи цы объёмного заряда образуются, начиная с некоторого порогово го уровня мощности входного сигнала, и далее выходная мощность амплитрона практически не зависит от входной, т.е. амплитрон все гда работает в режиме насыщения, подобно генератору с внешним возбуждением. Чтобы повысить выходную мощность платинотрона, необходимо увеличить мощность Ро, затрачиваемую на создание элек тронного потока в пространстве взаимодействия (рис. 5. 15).

Параметры и характеристики. Амплитудная характерис тика амплитрона показана на рис. 5.15.

Рвых Ро2 > Po Po1 > Po 2 Po Рвх пор. Pвх 1 Рис. 5. Рис. 5. Выходная мощность амплитрона ограничивается эмиссионной способностью катода и допустимой мощностью замедляющей си стемы. В непрерывном режиме она может достигать 500 кВт, в импульсном – 10 МВт. КПД отдельных мощных приборов достига ет 85 %. Амплитрон отличается высокой фазовой стабильностью по сравнению с другими мощными усилительными приборами и на шел применение в мощных оконечных каскадах усилителей РЛС.

Стабилотрон – генератор высокостабильных по частоте ко лебаний, выполненный на основе аымплитрона. Схема устройства стабилотрона показана на рис. 5.16. На выходе амплитрона 3 рас положены отражатель-фазовращатель 4 и нагрузка 5. К входу при соединены высокодобротный резонатор 2 и поглотитель 1.

Если на выходе амплитрона появился шумовой сигнал, то часть его отразится от фазовращателя 4 и начнет двигаться обратно прак тически без затухания к резонатору 2. Часть пришедшей энергии отразится от резонатора, пойдет к входу амплитрона, усилится в нем, вернется к фазовращателю, снова отразится и т.д., появится цепь обратной связи. При выполнении баланса фаз и амплитуд в приборе устанавливается стационарный режим.

Основным элементом, стабилизирующим частоту автоколе баний, является высокодобротный резонатор, на собственной час тоте которого необходимо выполнять баланс фаз. Частота изменя ется перестройкой резонатора с одновременной подстройкой фа зовращателя.

По сравнению с магнетроном стабилотрон имеет при той же мощности более высокую стабильность частоты и меньше зави сит от условий работы (нагрузка, анодный ток и др.).

5.7. Приборы с циклотронным резонансом Недостатком приборов типа О и типа М является сложность конструкции замедляющих систем при переходе к миллиметрово му и субмиллиметровому диапазонам длин волн. Поэтому были предложены приборы, в которых электроны взаимодействуют с не замедленными волнами. Эти приборы получили название мазеров на циклотронном резонансе (МЦР), или гиротронов.

Схема генератора на гиротроне показана на рис. 5.17.

2 ц А В ц В а б Рис. 5.17 Рис. 5. Катод прибора 1 имеет коническую форму, а его эмитирую щая часть выполнена в виде кольца. Магнитное поле В направлено вдоль оси прибора. Электроны, вылетающие с поверхности кольца, движутся по спиральным траекториям под действием ускоряюще го электрода 2 и продольного магнитного поля В, проходя резона тор 3 и попадая на коллектор 4. На рис. 5.18 показана картина сило вых линий электрического поля волны Н10 и проекция винтовой тра ектории движения электрона в продольном магнитном поле. Пусть wц – угловая частота вращения электрона, V0 – продольная ско рость электрона в направлении магнитного поля. Электрон, ока завшийся в точке А (рис. 5.18а), испытывает тормозящее действие СВЧ поля. За время Тц/2 электрон совершит половину оборота и окажется в точке В (рис. 5.18б). Если за это же время направление напряженности электрического поля изменится на противополож ное, электрон снова окажется в тормозящем поле. Путь, проходи мый электроном – lэ = V0Тц/2, волной – lв = VфТц/2. Очевидно, что условие синхронизма гиротрона (вращение электрона в макси муме тормозящего поля) можно представить в виде:

lв - lэ = nв/2 = nVф/, n = 1, 2,..., (5.36) где в – длина волны, – частота колебаний в резонаторе.

Поскольку ц = 2/Тц, то для имеем выражение:

= nц/(1 - V0/Vф). (5.37) Обычно V0 << Vф, поэтому = nц. Таким образом, в гиротроне возможна генерация СВЧ колебаний на частотах, кратных цикло тронной частоте. Гиротроны еще не нашли широкого применения в технике, так как для их создания требуются большие магнитные поля.

Контрольные вопросы по теме 1. Объясните условие фазового синхронизма приборов типа М.

2. Изобразите устройство ЛБВМ и объясните принцип её дей ствия.

3. Назовите и объясните основные характеристики ЛБВМ.

4. Изобразите устройство ЛОВМ и объясните принцип её действия.

5. Объясните условия баланса фаз и амплитуд для генератора на ЛОВМ.

6. Назовите и объясните основные характеристики ЛОВМ.

7. Объясните устройство и принцип работы магнетрона.

8. Назовите и объясните основные характеристики магнетрона.

9. Объясните устройство и принцип работы митрона.

10. Объясните устройство и принцип работы платинотрона.

11. Объясните принцип работы и характеристики амплитрона.

12. Объясните принцип работы и характеристики стабилотрона.

13. Объясните устройство и принцип работы гиротрона.

ТЕМА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ И ТРАНЗИСТОРЫ СВЧ Диоды СВЧ являются подклассом полупроводниковых дио дов. По типу структуры они подразделяются на диоды с p-n переходом, диоды с накоплением заряда (ДНЗ), p-i-n диоды, тун нельные диоды, диоды с барьером Шотки (ДБШ), лавино-пролет ные диоды (ЛПД) и диоды Ганна. По своему применению диоды подразделяются на смесительные, детекторные, модуляторные, па раметрические, переключательные, умножительные, генераторные и универсальные.

Транзисторы подразделяются на биполярные и полевые.

6.1. Диоды с p-n переходом Частотные свойства p-n перехода определяются инерцион ностью процессов накапливания и рассасывания (временем жизни) неосновных носителей заряда. Поэтому для использования диодов с p-n переходом в СВЧ диапазоне это время необходимо умень шать. Уменьшение времени жизни достигается введением специ альных примесей (например, золота), энергетические уровни кото рых расположены вблизи середины запрещенной зоны. Использо вание таких примесей увеличивает рекомбинацию неосновных но сителей заряда и уменьшает время их жизни до 10-9 с, что позволя ет использовать диоды с p-n переходом в низкочастотной части СВЧ диапазона (до 1 ГГц).

Быстродействие диодов с p-n переходом зависит также от за кона распределения примесей по структуре полупроводника. Ис следование этого вопроса привело к созданию диода с накоплени ем заряда (ДНЗ). Распределение концентрации примесей в ДНЗ показано на рис. 6.1. а.

Nпр Na-Nд I t1 t2 t Еp Nа xo x Nд 0 I х p En n Iобр 0 хо абв Рис. 6. Концентрация акцепторов Na убывает по экспоненциальному за кону, а концентрация доноров Nд одинакова по всей структуре. Переход создается вблизи сечения хо, где Na=Nд (рис. 6.1б). Особенность пе рехода заключается в том, что разность в концентрациях электронов и дырок по обе стороны перехода возрастает по экспоненте по мере уда ления от него. Это создает дополнительный диффузионный ток, направ ленный противоположно к диффузионному току, создающему запорный слой в обычном p-n переходе (с равномерным распределением приме сей). В результате в ДНЗ инжектированные электроны и дырки оказы ваются сосредоточенными вблизи границ перехода и запорный слой становится более узким. При скачкообразном изменении напряжения с прямого на обратное (рис. 6.1в) появляется большой обратный ток пе рехода, ограниченный лишь сопротивлением цепи. Для ДНЗ характер но, что импульс обратного тока резко обрывается в некоторый момент времени t1, когда неосновные носители заканчивают прохождение пе рехода. При надлежащем выборе закона распределения примеси ин тервал времени [t1, t2] может быть сужен до 10-10 - 10-11с. Поэтому ДНЗ называют также диодами с резким восстановлением обрат ного тока. При воздействии на ДНЗ синусоидального напряжения фор ма импульса обратного тока оказывается резко несинусоидальной.

Спектр периодических импульсов тока содержит много гармоник, что позволяет применение ДНЗ в схемах умножения частоты.

6.2. Туннельный диод В основе работы туннельного диода лежит туннельный эффект, который заключается в том, что при определенных условиях электрон может пройти потенциальный барьер запорного слоя, не затрачивая энергии. Для этого нужно повысить равновесную разность потенциалов перехода и сделать очень узким запорный слой. Эти требования можно удовлетворить одновременно, если повысить концентрацию электро нов и дырок по обе стороны от p-n перехода до 1019-1020 [см-3]. Такие полупроводники называются сверхлегированными, или вырожден ными. В вырожденных полупроводниках донорные уровни расщепля ются в зону, перекрывающуюся с зоной проводимости, а акцепторные уровни – в зону, перекрывающуюся с валентной зоной. Ширина запре щенной зоны уменьшается, а контактная разность потенциалов стано вится сравнительно большой и близкой к середине зоны.

Вследствие этого создается возможность беспрепятственного пе рехода электронов из n-области в р-область по туннелю перекрываю I щихся зон. На рис. 6.2 показаны для сравнения вольтамперные ха- Iп А рактеристики обычного (пункти ром) и туннельного (сплошная ли ния) диодов.

В Туннельный ток в прямом Iв U Uп Uв направлении (U>0) достигает максимума Iп и убывает до зна чения Iв, что связано с умень шением числа электронов, спо Рис. 6. собных совершить туннельный переход. В интервале напряжений от Uп до Uв дифференциальное сопротивление туннельного диода отрицательно, что позволяет при менять его в качестве усилителя и генератора СВЧ колебаний.

Туннельные диоды используются также и в детекторах СВЧ.

Высокие частотные свойства туннельного диода определяются малым временем перехода электрона через узкий сверхлегирован ный p+-n+ переход (10-13-10-14с), что позволяет использовать тун нельные диоды в усилительных схемах до 100 ГГц.

Достоинствами туннельных усилителей являются относитель ная простота, малые габариты, экономичность питания, широкопо лосность, низкий уровень шума, высокая радиационная и темпера турная устойчивость. К недостаткам относятся малый динамиче ский диапазон и малая мощность.

Генераторы СВЧ на туннельных диодах работают в сантиметро вом и миллиметровом диапазонах длин волн с выходной мощностью до нескольких милливатт. В настоящее время они практически вы теснены генераторами на других полупроводниковых приборах.

Туннельные диоды могут быть использованы в качестве сме сителей и умножителей частоты. Преимущества туннельного дио да как смесителя перед другими диодами – меньшие потери и воз можность усиления при преобразовании.

Туннельные диоды перспективны для использования в детек торах СВЧ. Они имеют высокую чувствительность при выборе рабочей точки вблизи пикового значения тока.

6.3. Рin-диод В этом диоде между сильно легированными областями с ды рочной и электронной проводимостью находится i-область с концен трацией носителей, близкой к собственному полупроводнику (рис. 6.3).

Np, Nn Np Nn pp Ni p = Ni n p i n Nn Np х Рис. 6. При подаче прямого напряжения в i-область одновременно ин жектируются дырки из р-области и электроны из n-области. Сопро тивление i-области и всего диода становится малым. При обратном напряжении дырки и электроны из i-области экстрагируются обрат но и сопротивление диода увеличивается. Дифференциальное сопро тивление pin-диода при изменении знака напряжения изменяется на несколько порядков, в то время как его емкость, определяемая в основном шириной i-области, изменяется незначительно. Рin-диоды с малой емкостью используются в качестве мощных вентилей СВЧ диапазона.

В СВЧ диапазоне pin-диоды применяются для создания пере ключающих цепей, переменных и ступенчатых аттенюаторов, амп литудных модуляторов, плавных и ступенчатых фазовращателей.

6.4. Диод с барьером Шотки В диодах с барьером Шотки (ДБШ) используется контакт ме талл-полупроводник, в котором работа выхода электронов из полупро водника меньше работы выхода из металла. Разница в работах выхода приводит к созданию контактной разности потенциалов, уравновешива ющей потоки электронов из полупроводника в металл и обратно.

В ДБШ отсутствует накопление неосновных носителей заряда, и это улучшает его быстродействие (время восстановления обрат ного сопротивления ДБШ порядка 10-9 с). Вольт-амперная характе ристика ДБШ близка к вольт-амперной характеристике идеального p-n перехода:

I = I0[exp(eU/ kT) - 1], (6.1) поскольку параметр ~1,04 (у обычного p-n перехода ~(1.5 - 2.5).

Это означает, что прямая ветвь вольт-амперной характеристи ки ДБШ идет круче, чем у обычного диода. Уровень шумов ДБШ также оказывается ниже, чем в аналогичных по применению дио дах с p-n переходом.

Применяются ДБШ в качестве детекторных и смесительных ди одов вплоть до миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.

Диоды с барьером Шотки могут быть также использованы для умножения и преобразования частоты вследствие нелинейной зависи мости сопротивления и емкости перехода от напряжения. Особенно существенны их преимущества при преобразовании слабых сигналов.

6.5. Биполярные транзисторы СВЧ Частотные свойства биполярных транзисторов (fгр) определя ются временем задержки сигнала (t ) от эмиттера до коллектора:

fгр= 1/2, = + + +, (6.1) э.п б к.п к где – время заряда емкости эмиттерного перехода, – время э.п б пролета базы, – время заряда емкости коллекторного перехода, к.п tк – время пролета коллектора. Уменьшение ширины базовой облас ти до 0,1 мкм снижает время пролета базы до единиц пикосекунд, поэтому граничная частота в основном определяется оставшимися тремя слагаемыми, которые равны десяткам пикосекунд. Для их уменьшения требуется уменьшение емкости эмиттерного перехода, ширины коллекторного перехода и сопротивления коллекторной об ласти. Однако эти требования противоречивы. Например, повыше ние концентрации примеси, необходимое для уменьшения ширины коллекторного перехода, приводит к снижению напряжения его про боя и росту его емкости, а уменьшение емкости за счет уменьшения площади перехода сопровождается падением мощности транзисто ра. Более детальный анализ этих процессов показывает, что гранич ная частота и напряжение пробоя связаны соотношением fгрUпр < 200 ГГц В, (6.2) однако, на практике в силу различных конструктивных и технологи ческих особенностей не удается добиться и этого. Реальная гранич ная частота биполярных СВЧ транзисторов не превышает 20 ГГц.

Биполярные транзисторы находят применение в качестве мало шумящих усилителей малой и средней (до 50 Вт) мощностей в низко частотной области СВЧ диапазона (до 4-5 ГГц). На более высоких частотах они полностью вытеснены полевыми транзисторами.

6.6. Полевые транзисторы СВЧ Возросшая роль полевых транзисторов в СВЧ диапазоне по сравнению с биполярными транзисторами связана с разработкой полевых транзисторов с барьером Шотки на арсениде галлия n-типа. Высокая подвижность электронов в арсениде галлия, умень шение длины затвора (до 1 мкм) и использование тонких (до 0,2 мкм) и высоколегированных эпитаксиальных пленок улучшили частот ные свойства полевых транзисторов.

Для транзисторов с малой длиной канала максимальная час тота fmax, на которой коэффициент усиления по мощности равен еди нице, определяется минимально возможным временем пролета tmin fmax = 1/2tmin, tmin = Vн/L, (6.2) где Vн – скорость электронов, L – длина канала. Поэтому GaAs, имеющий большее значение Vн, чем кремний или германий, явля ется предпочтительным материалом для изготовления полевых транзисторов.

Наибольшее применение полевые транзисторы на арсениде галлия с барьером Шотки нашли в малошумящих СВЧ усилите лях. В диапазоне 4 – 20 ГГц они являются лучшими по шумовым и усилительным характеристикам, чем другие приборы того же на значения. Большой динамический диапазон и хорошие шумовые характеристики позволяют использовать их в смесителях.

Контрольные вопросы по теме 1. Чем определяются частотные свойства p-n перехода?

2. В чем отличие ДНЗ от диодов с обычным p-n переходом?

3. Объясните принцип работы туннельного диода.

4. Объясните принцип работы pin-диода.

5. Объясните принцип работы диода с барьером Шотки.

6. Назовите причины, затрудняющие применение биполярных транзисторов в СВЧ диапазоне.

7. В чем заключаются преимущества полевых транзисторов в СВЧ диапазоне по сравнению с биполярными транзисторами?

Тема ЛАВИНО-ПРОЛЕТНЫЕ ДИОДЫ (ЛПД) 7.1. Лавинное умножение носителей заряда Дрейфовая скорость носителей заряда в полупроводни ке связана с напряженностью электрического поля соотноше нием Vдр = µE, (7.1) где µ – подвижность носителей заряда, пропорциональная средне му времени их пробега.

В слабых полях среднее время пробега в основном определя ется тепловым движением и не зависит от напряженности элект рического поля. Зависимость (7.1) здесь линейна. В сильных полях дрейфовая скорость становится сравнимой с тепловой и время про бега уменьшается, поскольку длина пробега, определяемая посто янной кристаллической решетки, остается постоянной. Это приво дит к уменьшению подвижности носителей заряда и нарушению линейности (7.1.) Дрейфовая скорость достигает своего максималь ного значения Vн (скорость насыщения) и в дальнейшем от Е уже не зависит. Значение Vн зависит только от состава полупро водника, типа носителей (электрон, дырка) и составляет примерно 107 см/с.

Ударная ионизация. Если энергия движущихся носителей заряда превышает некоторое определенное значение, начина ется процесс ударной ионизации: соударение носителя с ней тральными атомами кристаллической решетки приводит к об разованию новой пары носителей – электрона и дырки. Удар ная ионизация наблюдается при большой напряженности элек трического поля (Е > 105 В/см). Для количественной характе ристики этого процесса вводят коэффициенты ионизации электронов n и дырок р, определяющие число электронно дырочных пар, создаваемых носителем на единице пути (1 см).

Коэффициенты ионизации очень сильно зависят от напряженности электрического поля и при его увеличении в два-три раза могут возрастать на четыре-пять порядков. В полупроводниковых дио дах ударная ионизация может происходить в области p-n перехода, если в ней создана достаточная напряженность электрического Переход Переход n p n p In(0) In Ip(d) In(0) Ip(d) Ipo Ip Ino Ipo Ino 0 d x 0 d x a б Рис. 7. поля. С этим явлением связан резкий рост обратного тока, называ емый лавинным пробоем. Пусть начальный дырочный ток на ле вой границе p-n перехода (рис. 7. а) при х = 0 равен Ipo, а начальный ток электронов на правой границе при х = d - Ino.

Вследствие ударной ионизации число двигающихся дырок ра стет слева направо, а электронов – справа налево (рис. 7.1. б). Каж дый носитель, пройдя слой толщины dx, создаёт dx пар электрон дырка (коэффициенты ионизации электронов и дырок примерно рав ны друг другу). Это дает приращение дырочного и электронного тока в слое dx:

dIp = Idx, (7.2) dIn = -Idx, (7.3) где I – полный ток в сечении x.

Если мы имеем дело с несимметричным p-n переходом, в ко тором, например, концентрация доноров намного больше концент рации акцепторов, то можно считать, что начальный дырочный ток будет много больше начального электронного тока и лавинное ум ножение вызвано дырками, приходящими из n-области. Интегри руя (7.2) в пределах 0 - d, получим:

d Ip(d) - Ip(0) = I odx. (7.4) В рассматриваемом случае Ip(d) >> Ip(0) > Ino, поэтому Ip(d) ~ I, т.е.

d 1 - Ip(0)/I = odx, (7.5) d или, иначе, Mp = I/Ip(0) = (1 - odx )-1. (7.6) Параметр Мр называется коэффициентом лавинного умно жения (для того случая, когда этот процесс начинают дырки).

Аналогично можно ввести коэффициент лавинного умножения и в том случае, когда этот процесс начинают электроны:

Mn = I/Ino, Ino >> Ipo. (7.7) Принято считать, что лавинный пробой наступает при таком обратном напряжении, когда Mn и Mp обращаются в бесконечность.

Последнее возможно, если d odx = 1. (7.8) Коэффициенты ионизации зависят от напряженности электрического поля, распределение которого в переходе можно найти из уравнения Пуассона. Таким образом, по (7.8) можно оп ределить ширину перехода, при которой наступает пробой, а затем по известному распределению напряженности поля вычислить на пряжение пробоя.

7.2. Пролетный режим работы ЛПД (IMPATT) Ниже будет рассмотрена n+- p - i - p+ структура (диод Рида), так как физические процессы в этом диоде наиболее четко разде лены.

Распределение концентра ции примесей в структуре пока зано на рис. 7.2 а, б. Концентра n+ p i p+ а N ция примесей в n+ и p+-областях много больше, чем в р-области, x а в i-области близка к собствен ному полупроводнику.

б Е Е в 0 w х г 0 х 0 хл х Рис. 7.2 Рис. 7. Напряженность электрического поля Е линейно уменьшается в р-области и остается постоянной в i-области (рис. 7.2в). Вследствие сильной зависимости от Е значение коэффициента ионизации бу дет изменяться по х более резко, чем Е (рис.7.2г). Условие лавин ного пробоя означает, что хл odx = 1. (7.9) Слой от 0 до хл называется слоем умножения, а слой от хл до границы р+-области – слоем дрейфа. В слое умножения в основном заканчиваются процессы лавинного умножения носителей заряда, а в слое дрейфа умножения уже нет, но на пряженность поля здесь еще достаточна для того, чтобы скорость носителей заряда была равна скорости насыщения. В условиях уси ления или генерации СВЧ колебаний на ЛПД, кроме постоянного напряжения, имеется и синусоидальное. Если пренебречь влияни ем объемного заряда, то напряженность переменного поля будет одинаковой во всех точках слоев дрейфа и умножения. На рис. 7. показано распределение результирующего поля в ЛПД для случа ев, когда переменное поле проходит через нуль (1), максимум (2) и минимум (3). Возможность усиления объясняется с помощью про странственно-временной диаграммы (рис. 7.4).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.