Электронные приборы со скрещенными полями (приборы М-типа)

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СО СКРЕЩЕННЫМИ ПОЛЯМИ (ПРИБОРЫ М-ТИПА)



Классификация приборов М-типа

Сверхвысокочастотные колебания в диодах, помещённых в постоянное магнитное поле, были обнаружены еще в 1920 - 1924 гг. Выяснилось, что существуют три основных типа колебаний, различающихся своими электронными механизмами:

- циклотронного типа;

- типа отрицательного сопротивления;

- типа бегущей волны.

Наибольший интерес представляют колебания типа бегущей волны, которые происходят в магнетронах, разработанных в 1938 - 1940 гг. Н.Ф. Алексеевым, Д.Е. Маляровым.

Приборы М-типа можно разделить на два больших класса:

- приборы с катодом, находящимся в пространстве взаимодействия. В этих приборах процессы взаимодействия электронов с СВЧ-полем происходят в пространстве между катодом и анодом. Они просты в конструктивном исполнении и наиболее сложны с точки зрения анализа и расчета. Типичные представители этого класса - многорезонаторные магнетроны, амплитроны;

- приборы лучевого типа. В таких приборах катод вынесен из пространства взаимодействия. Эти приборы по сравнению с приборами первого класса уступают по выходной мощности и кпд, но имеют преимущества по коэффициенту усиления, полосе частот и шумам. Примером лучевых приборов являются ЛБВМ и ЛОВМ.

Приборы М-типа отличаются от приборов О-типа тем, что электронный поток передает полю не кинетическую, а потенциальную энергию. При этом в процессе взаимодействия электронов с полем электроны смещаются в сторону более высокого потенциала (к аноду), на каждом витке теряя часть своей потенциальной энергии, которая и передается СВЧ-полю.



Магнетроны

Магнетрон - это диод, помещённый в постоянное магнитное поле, которое направлено перпендикулярно направлению электрического поля. В нём электроны движутся в скрещенных электрическом и магнитном полях. Магнетроны служат для генерации незатухающих колебаний в диапазоне от миллиметровых до метровых волн.

На рис. 1 изображён многорезонаторный магнетрон с анодным блоком типа «щель-отверстие», где: 1 - катод; 2 - токоподводы нагревателя; 3 - анодный блок; 4 - объёмные резонаторы; 5 - выходная петля связи; 6 - коаксиальный кабель.

Анодный блок представляет собой невысокий медный цилиндр с рядом отверстий, параллельных оси цилиндра. Вместе со щелями, соединяющими эти отверстия с центральным отверстием, они образуют объёмные резонаторы. Таким образом, анодный блок представляет собой систему связанных контуров.

Часть анодного блока, заключенная между двумя соседними щелями, называется сегментом. В центральном отверстии анодного блока расположен катод в виде цилиндра, боковая поверхность которого покрыта оксидным слоем. Пространство между катодом и резонаторами анодного блока называется пространством взаимодействия. Магнетрон помещён в постоянное магнитное поле, направленное вдоль оси катода (перпендикулярно плоскости чертежа). Постоянное электрическое поле направлено по радиусу от катода к аноду.

В пространстве взаимодействия поток электронов, движущийся от катода к аноду в скрещенных электрическом и магнитном полях, взаимодействует с переменными электрическими полями, сконцентрированными вблизи щелей колебательных систем.



Рис. 1

Для стабильной работы магнетрона (во избежание «перескоков» во время работы на другие виды колебаний, сопровождающихся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебательной системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10 %). Так как в магнетроне с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной, её увеличивают либо за счёт введения связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое - все нечётные ламели анодного блока, либо за счет применения разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные - другой).

В одном из резонаторов имеется петля связи, с помощью которой энергия СВЧ-колебаний отводится из магнетрона. Как правило, анодный блок заземляется, а на катод подается достаточно высокий отрицательный потенциал (от 5 до 30 кВ). Различные типы анодных блоков показаны на рис. 2: лопаточный - на рис. 2,а; щелевой равнорезонаторный - на рис. 2,б; щелевой разнорезонаторный - на рис. 2,в.

Резонаторы лопаточного типа обладают наибольшей добротностью, поэтому такие резонаторы используются в трёхсантиметровом диапазоне волн. На более длинных волнах применяют простые в изготовлении резонаторы типа щель-отверстие.

Анодные блоки отличаются формой и числом резонаторов, которое всегда должно быть четным, для того чтобы выполнялось условие баланса фаз, т.е. по длине окружности анодного блока укладывалось целое число длин волн. Число резонаторов может быть от 8 до 40.

а) б) в)

Рис. 2

Принцип действия магнетрона

Механизм возникновения незатухающих колебаний в магнетроне такой же, как в любом автогенераторе. Начальные колебания в резонаторах магнетрона возникают в результате флуктуаций электронного потока. Частота этих колебаний в общем случае несколько отличается от собственной резонансной частоты резонаторов, так как анодный блок магнетрона образует систему сложно связанных контуров. Колебания поддерживаются за счет энергии источника постоянного напряжения анод - катод, которая с помощью электронного потока, ускоряемого постоянным электрическим полем и взаимодействующего с переменным электрическим полем вблизи щелей резонаторов, передается полю волны. Такую направленную передачу энергии можно осуществить, если электронный поток будет взаимодействовать с переменным электрическим полем определённой фазы. Для этого электронный поток должен быть сгруппирован в сгустки, время прохождения которых вблизи щелей резонатора совпадало бы со временем существования в них поля нужной фазы (тормозящей).

Движение электронов от катода к аноду в магнетроне происходит не во всех азимутальных направлениях равномерно. Потоки электронов к аноду создаются лишь в некоторых областях пространства взаимодействия и образуют так называемые электронные спицы (рис. 3).

Число спиц зависит от характера ВЧ-колебаний и в наиболее употребимом режиме работы магнетрона равно половине числа резонаторов. Электроны в спицах перемещаются к аноду по сложным петлеобразным траекториям, так как характер их движения определяется суммарным воздействием постоянного и переменного электрических полей и постоянного магнитного поля.

Рис. 3

Спицы образуются вблизи участков катода, лежащих против тех сегментов анода, которые в данный момент оказываются заряженными до более положительного потенциала благодаря существованию переменного электрического поля Так как с изменением фазы колебаний меняются знаки заряда на сегментах анода, то изменяются и участки катода, вблизи которых формируются спицы. Спицы как бы вращаются в пространстве взаимодействия со скоростью, зависящей от частоты и фазовых соотношений для полей двух соседних резонаторов.

Скорость вращения спиц такова, что моменты прохождения электронов вблизи щелей резонаторов всегда совпадают с моментами существования в них нужной фазы поля. Иначе говоря, вращение спиц синхронизировано с изменением фазы СВЧ-колебаний.

При сложном движении в спице от катода к аноду электроны на каждом витке теряют часть своей потенциальной энергии, которая и передаётся СВЧ-полю.

Электроны, отдавшие свою энергию полю, непрерывно уходят на анод, а спицы пополняются новыми электронами, эмитированными катодом.

Виды колебаний в магнетроне

При возбуждении объёмного резонатора в нём устанавливается некоторый вид колебаний, характеризуемый определенным распределением переменных электрического и магнитного полей. Любой отдельно взятый резонатор можно рассматривать как замкнутую на конце линию, которая может возбуждаться как на основной частоте, когда по длине резонатора укладывается волна длиной 0,25, так и на частоте гармоник, когда по длине резонатора укладываются волны длиной 0,75, 1,25 и т.д. Так как колебательная система магнетрона состоит из ряда резонаторов, то число возможных резонансных частот увеличивается из-за появления частот связи. Если анодный блок магнетрона представляет собой цепочку из N объёмных резонаторов, свернутую в кольцо, то эта система замкнутая, в ней могут существовать только колебания, для которых суммарная разность фаз при обходе по окружности анодного блока равна 0 или кратна 2. Иначе говоря, если волна в некоторой точке анодного блока характеризовалась фазой , то при распространении вдоль цепочки резонаторов она должна возвратиться в эту точку с той же фазой. В противном случае в результате интерференции волна уничтожается. Тогда можно записать: , где N - число резонаторов; n - номер вида колебаний (n = 0, 1, 2,…), который определяет число целых периодов ВЧ-колебаний, укладывающихся вдоль окружности анодного блока.

Разность фаз колебаний в соседних резонаторах должна быть равна

.(1)



Каждому виду колебаний соответствует вполне определенная картина СВЧ-поля в пространстве взаимодействия. Например, для n = 2 и

n = 4 при N = 8 поле в пространстве взаимодействия имеет вид, представленный на рис. 4,а и б.

Если развернуть анодный блок (рис. 4,в и г), то видно, что для n = 2 по длине анодного блока укладываются 2 волны, а для n = 4 укладываются 4 волны.

Пунктиром показаны силовые линии переменного магнитного поля.

Синусоида - это распределение СВЧ-поля вдоль поверхности анода.

Рис. 4

Если , т.е. поля в соседних резонаторах колеблются в противофазе, то это противофазный вид колебаний, или -вид.

Существуют еще и так называемые вырожденные виды колебаний. Это виды колебаний, которые различаются только знаком разности фаз (), но имеют одинаковую структуру поля. Например, при N = 8 и n = 1 разность фаз , при n = 7 разность фаз .

Колебания -вида являются невырожденными, они возникают при меньших, по сравнению с другими видами, анодных напряжениях и магнитных полях. Этот вид колебаний является рабочим, так как обеспечивает максимально генерируемую мощность.

Колебания -вида могут возникнуть в магнетроне лишь при чётном числе N, поэтому анодные блоки магнетрона содержат чётное число резонаторов.

СВЧ-поле в резонаторах имеет радиальную и тангенциальную составляющие. При этом характер распределения E по оси х несинусоидальный, и можно считать, что поле СВЧ состоит из суммы пространственных гармоник (или гармоник Хартри), которые движутся с фазовой скоростью, определяемой соотношением

, (2)

где х_фn - фазовая скорость гармоники n-го вида; r_a - радиус анода; n - номер вида колебаний; p - номер гармоники; p = 0 - основная гармоника; N - число резонаторов; - круговая частота колебаний n-го вида.

Чем выше номер вида колебаний n и чем больше номер пространственной гармоники p, тем меньше фазовые скорости прямых и обратных волн, вращающихся в пространстве взаимодействия.

Замедление волны (отношение скорости света к фазовой скорости) можно определить по формуле

,(3)

где - рабочая длина волны в свободном пространстве.

Для волны -вида при p = 0



.

Статические характеристики магнетрона

Магнетрон - это диод, помещенный в магнитное поле. Постоянное электрическое поле направлено по радиусу от катода к аноду, магнитное поле - вдоль оси катода, электрическое и магнитное поля взаимно перпендикулярны. Если бы не было магнитного поля, электроны летели бы от катода к аноду. Траектория движения электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях соответствует траектории точки, находящейся на ободе катящегося колеса, имеющего радиус

, (4)

где E - напряжённость электрического поля; В - магнитная индукция. Такая траектория называется циклоидой и имеет вид, изображённый на рис. 5, где d - расстояние от катода до анода.

Рис. 5

Скорость центра катящегося круга х_z соответствует скорости движения электронов вдоль оси z в скрещенных электрическом и магнитном полях:

(5)



Из формул (4) и (5) видно, что чем больше B, тем меньше радиус катящегося круга и меньше скорость движения электронов вдоль оси z.

Статическими характеристиками называются зависимости

;

при отсутствии СВЧ-колебаний в магнетроне.

Характеристики имеют вид,изображённый на рис. 6,а и б.

Зависимость I_a = f(B) (см. рис. 6,а)

При В = 0 электроны летят на анод, как в диоде. Все электроны попадают на анод, ток максимален.

С увеличением В траектория электронов искривляется. Они начинают двигаться по циклоиде, причем чем больше В, тем меньше радиус катящегося круга. При В = В_кр1 электроны летят по циклоиде, вершина которой лишь касается анода. В этом случае ток резко падает. При В > В_кр электроны совершают многократные колебания по циклоиде, которая имеет радиус, точнее диаметр (2R), меньший, чем расстояние между катодом и анодом (2R < d).

а) б)

Рис. 6



Наличие небольшого тока при В > В_кр1 объясняется влиянием начальных скоростей электронов, колебаниями, спонтанно возникающими в электронном облаке магнетрона, неоднородностью В и другими факторами. Если Ua₂ > Ua₁, то скорость электронов больше и необходима бьльшая величина В, чтобы заставить электроны двигаться по циклоиде.

Критическую величину магнитной индукции В_кр можно получить, используя формулу (4).

Для плоского магнетрона:

;(6)

для цилиндрического магнетрона

(7)

где r_k - радиус катода; r_a - радиус анода.

Зависимость I_a = f(U_a) (см. рис. 6,б)

При малых анодных напряжениях небольшое магнитное поле может возвратить электроны на катод. При U_aкр циклоида своей вершиной касается анода. Ток резко возрастает. При больших анодных напряжениях величина магнитного поля оказывается недостаточной, чтобы заставить электроны двигаться по циклоидам, и они попадают на анод.

Величина U_aкр определяется по формуле

(8)



Зависимость U_aкр = f(В) называется параболой критического режима (рис. 7). Уравнение (8) можно записать в виде

(9)

Значения U_акр и В_кр являются важными параметрами, характеризующими работу магнетрона не только в статическом режиме, но и при наличии СВЧ-колебаний.

Рабочей областью магнетрона является область под параболой критического режима, где В > В_кр; U_a > U_aкр (см. рис. 7).

Рис. 7

Движение электронов в пространстве взаимодействия магнетрона. Спицы пространственного заряда

Если высокочастотные колебания отсутствуют, а на электроны действуют постоянные электрическое и магнитное поля, то электроны движутся по циклоидам. Рассмотрим изменения этого движения при наличии малых ВЧ-колебаний. Наиболее интенсивное взаимодействие электронов с СВЧ-полем может быть при условии, что электроны длительное время находятся в тормозящей фазе СВЧ-поля.

В пространстве взаимодействия СВЧ-поле может быть представлено в виде волн, бегущих между катодом и анодом. Поэтому условие равенства фазовой скорости одной из волн и средней скорости электронов, т.е. условие фазового синхронизма, будет иметь вид (х_ф)_np = х₀. Однако учитывая, что скорость движения электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях характеризуется скоростью перемещения центра катящегося круга х_z, условие фазового синхронизма можно записать в виде

(10)

где n - номер вида колебаний; p - номер гармоники.

При обеспечении синхронизма для одной из волн действие на электроны других волн можно не учитывать, так как их фазовые скорости будут отличаться от х_z. Свяжем с одной из волн систему координат, которая будет двигаться вместе с волной со скоростью (х_ф)_np, тогда электрическое поле относительно этой системы будет неподвижным. На рис. 8 показан анодный блок магнетрона и электроны, находящиеся на разных участках пространства взаимодействия.

Результирующее электрическое поле определяется сложением векторов постоянного поля E₀ и СВЧ-электрических СВЧ-полей и будет разным в точках 1, 2, 3 и 4. На электрон 1 действует напряжённость постоянного электрического поля , направленная к катоду, и радиальная составляющая переменного СВЧ-поля, направленная к аноду, т.е. E₀ и E_r направлены противоположно друг другу. Результирующее электрическое поле E, действующее на электрон 1, не изменяет своего направления, но уменьшается по абсолютной величине. Поэтому скорость центра катящегося круга уменьшается по сравнению со статическим режимом. В результате электрон 1 начинает отставать от бегущей волны. На электрон 3 действуют поля E₀ и E_r, направленные в одну сторону, поэтому результирующее электрическое поле несколько увеличивается по сравнению со статическим режимом. Электрон 3 движется быстрее волны.

На электрон 4 действуют E₀ и E, направленные перпендикулярно друг другу. Суммарное поле E мало отличается по абсолютной величине от статического электрического поля, но имеет некоторый наклон E (см. рис. 8). Этот наклон означает, что круг, определяющий циклоидальную траекторию, не должен более «катиться» параллельно плоскости катода. Круг должен теперь «катиться» по линии, перпендикулярной E_, т.е. наклонённой в сторону анода. Электрон 4, двигаясь синхронно с волной, постепенно передвигается по направлению к аноду. Таким образом, электрон 4 длительное время находится в области максимального тормозящего тангенциального поля.

При каждом циклоидальном колебании электрон теряет часть потенциальной энергии и поднимается всё ближе к аноду. С физической точки зрения электрон 4 является наиболее благоприятным для поддержания колебаний в магнетроне. Электроны 1 и 3 постепенно улучшают свою фазу относительно ВЧ-поля; приближаясь к электрону 4 и попадая в тормозящее тангенциальное поле, они также становятся благоприятными для генерации. Электрон 2 после выхода из катода подвергается действию полей E₀ и E, направленных перпендикулярно друг другу, но E направлено противоположно по сравнению с полем, действующим на электрон 4, и является ускоряющим. Суммарное поле E так же мало отличается по абсолютной величине от статического электрического поля, но тоже имеет наклон. Плоскость, по которой происходит качение круга, определяющее траекторию движения электрона 2, перпендикулярна E и наклонена в сторону катода. В конце первого циклоидального колебания электрон 2, поглотив часть энергии ВЧ-поля, ударяется о катод и прекращает движение в пространстве взаимодействия. Он является неблагоприятным для возбуждения колебаний.

Таким образом, действие электрического СВЧ-поля автоматически приводит к сортировке электронов, причем благоприятные электроны отдают ВЧ-полю больше энергии, чем её поглощают неблагоприятные. В результате этого малые колебания, возникшие в резонаторах анодного блока из-за флюктуаций электронного потока, будут возрастать по амплитуде, т.е. произойдет самовозбуждение магнетрона.

Благоприятные электроны создают конвекционный ток анода, неблагоприятные - бомбардируют катод, вызывая его дополнительный разогрев.

Основную роль в группировке (фазовой фокусировке) электронов в магнетроне играет радиальная составляющая электрического СВЧ-поля (она меняет скорость по абсолютной величине). Роль тангенциальной составляющей сводится к отбору энергии у электронов.

Итак, за счет взаимодействия электронов с переменным электрическим ВЧ-полем образуются сгустки электронов, т.е. переменный по плотности электронный поток, или так называемые электронные спицы.

На анод, описывая петлеобразные траектории, устремляются лишь электроны, покидающие те участки катода, против которых в данный момент времени существует в резонаторе переменное электрическое поле, тормозящее электроны.

Число спиц равно числу тормозящих областей СВЧ-поля в пространстве взаимодействия, т.е. номеру вида колебаний. У колебаний -вида число спиц максимально и равно половине числа резонаторов. Электронные спицы показаны на рис. 9. Поскольку через каждые полпериода значения СВЧ-потенциалов на сегментах меняются на обратные (неоднородное поле как бы вращается вокруг оси прибора), перемещаются вслед за полем и электронные спицы. Электроны, образующие спицы, вращаясь и описывая витки эпициклоиды, поднимаются от катода и постепенно уходят на анод.

По мере вращения спица пополняется электронами с новых участков катода. Таким образом, электроны в спицах непрерывно перемещаются в радиальном направлении от катода к аноду. При этом они теряют свою потенциальную энергию. Эта энергия передаётся электромагнитному полю.

Рабочий режим магнетрона

Для обеспечения движения рабочих электронов по петлеобразным траекториям в радиальном направлении и получения нужной угловой скорости вращения спиц требуется определённое соотношение между напряжённостью E₀ постоянного электрического поля и магнитной индукцией В.

Выбор соответствующих E₀ и В и определяет рабочий режим магнетрона. Выше мы говорили о параболе критического режима [см. рис. 7, формула (9)] и сделали заключение, что рабочей областью магнетрона является область под параболой критического режима, так как в заштрихованной области слева от параболы все электроны достигают анода, но не описывают петель, а следовательно, не отдают свою энергию полю.

Но рабочую область магнетрона ограничивают еще и пороговое напряжение и потенциал синхронизации. При больших В (справа от параболы) электроны описывают петли, однако для нормальной работы магнетрона этого недостаточно. Необходимо добиться вращения спиц с определённой угловой скоростью синхронно с изменением фазы СВЧ-колебаний, т.е. необходимо выполнение условия синхронизма, так как оно обеспечивает передачу потенциальной энергии электронного потока СВЧ-полю (см. рис. 9).

Условие синхронизма сводится к требованию равенства скорости электронов при их движении вдоль оси z в скрещенных электрическом и магнитном полях х_z и фазовой скорости волны, т.е. выбранной пространственной гармоники номера р n-вида колебания и имеет вид х_n = х_z, где х_z = Е/В. Это условие синхронизма выполняется при определённом пороговом напряжении

, (11)

где _n - частота колебаний n-вида.

Связь между U_{а пор} и магнитной индукцией линейная. Графики этой зависимости называются пороговыми прямыми. На рис. 10 для -вида колебаний (n = 4) изображена пороговая прямая, для n = 3 она показана пунктиром. Пороговая прямая касается в определённой точке параболы критического режима (для n = 3 точка касания выше). Минимальное значение напряжения для пороговой прямой, соответствующее точки касания, называют напряжением синхронизации.



Рис. 10

Напряжение (потенциал) синхронизации - это такое напряжение (U_a), которое обеспечивает синхронное движение электронов и поля. Если U_a<U_c, электроны движутся медленнее волн и магнетрон не работает. Таким образом, на диаграмме, представленной на рис. 10, показана рабочая область магнетрона - это незаштрихованный участок между параболой критического режима и пороговой прямой.

Ниже линии пороговой прямой магнетрона находится нерабочая область магнетрона: при U_a< U_c нет синхронизации, при U_с<U_а<U_пор электроны не попадают на анод, так как магнитная индукция В велика по сравнению с U_a и электроны сильно «закручиваются».

СВЧ-приборы со скрещенными полями, разомкнутой ЗС и замкнутым электронным потоком

Такие приборы называют платинотронами. Платинотрон, работающий в усилительном режиме, называют амплитроном, а в генераторном режиме с высокой стабильностью частоты - стабилотроном.

Амплитрон

Устройство имеет много общего с магнетроном (рис. 11). Как и в многорезонаторном магнетроне, в нём имеется цилиндрический катод и анодный блок с резонаторами.



Рис. 11

В магнетроне замедляющая система, образованная цепочкой резонаторов, замкнута, а в амплитроне - разомкнута. Это достигается разрывом системы связок. ВЧ-развязка между разомкнутыми концами осуществляется с помощью специальной ячейки. Концы замедляющей системы амплитрона связаны с СВЧ-входом и выходом прибора и согласованы с внешними СВЧ-трактами. Так, в усилителе достигается режим бегущей волны за счет чего и обеспечивается его работа в достаточно широкой полосе частот. С целью устранения самовозбуждения на р-виде колебаний, типичных для магнетронного генератора в амплитроне имеется нечетное число резонаторов.

В ячейке, осуществляющей развязку входа и выхода, электронный поток не взаимодействует с полем волны рабочего вида колебаний. В амплитроне этот сектор небольшой, и при его прохождении электронная спица не успевает разгруппироваться под действием собственного пространственного заряда. Именно с сохранением сгруппированной спицы по всей окружности пространства взаимодействия амплитрона связано использование замедляющей системы с аномальной дисперсией. В амплитроне рабочей является обратная пространственная гармоника, при которой фазовая и групповая скорости волн направлены противоположно. Направление магнитного поля, перпендикулярного плоскости чертежа, выбирается таким, чтобы движение электронов происходило навстречу потоку СВЧ-энергии, движущейся между входом и выходом. Электронная спица, вращающаяся в направлении, противоположном направлению нарастания СВЧ-амплитуды по ЗС, после прохождения ячейки, осуществляющей развязку между входом и выходом, попадает под выходные ячейки анодного блока. В этих ячейках амплитуда СВЧ-поля максимальна, и происходит быстрое восстановление частично разгруппированной спицы. Благодаря этому эффективно используется энергия сгруппированного пространственного заряда и КПД амплитрона достигает 70 - 80% и более. Отсутствие замкнутой колебательной системы обуславливает относительную широкополосность усилителя.

Потери, вносимые при прохождении СВЧ-сигнала через «холодную» ЗС, не превышают 0,5 дБ. При подаче анодного напряжения амплитрон усиливает сигнал, поступающий на его вход, но практически не влияет на сигнал, поступающий со стороны выхода, т.е. ведет себя как четырёхполюсник с однонаправленным усилением проходящего сигнала.

При рассогласовании входа и выхода амплитрон может самовозбудиться. Для устранения самовозбуждения на входе и выходе включаются ферритовые вентили.

Электронный поток в амплитроне устойчив (стационарен), как и в магнетроне, при условии

цN=2рn, n=1, 2, 3,…,

где N - число сегментов анодного блока; - сдвиг фазы СВЧ-поля на одну ячейку анодного блока.

Амплитрон может работать на частотах сигнала, для которых фазовый сдвиг на одну ячейку равен



При этом спица, образующаяся в тормозящем СВЧ-поле, совершив один оборот вокруг катода, снова попадёт в максимальное тормозящее поле и будет взаимодействовать с ним.

Если частота сигнала не удовлетворяет последнему условию, то спица после одного оборота не попадёт в прежнюю фазу СВЧ-сигнала, а будет опережать или отставать по фазе на угол ш.

Если > /2 или < -/2, спицы после одного оборота попадают в ускоряющее поле и будут распадаться.

Это позволяет оценить полосу пропускания амплитрона:

.

Например, для амплитрона с N = 11 и n = 4 = 0, что соответствует =131⁰. Граничным сдвигам фазы соответствуют _min = 123⁰ и _max = 139⁰, так что

Если бы связь между фазой и частотой была линейной, то полоса пропускания составила бы 12 %. Для реальных дисперсионных характеристик полоса пропускания не превышает 10 %.

В амплитроне не существует ограничения на выходную мощность. Однако практически она определяется эмиссионной способностью катода и допустимой мощностью, рассеиваемой на аноде.

В непрерывном режиме Р_н достигает 500 кВт, а в импульсном - 10 МВт. Обычно КПД не менее 55 - 60 %, а у мощных и сверхмощных амплитронов он составляет 70 - 85 %.

Коэффициент усиления мощных амплитронов не превышает 10 дБ, у приборов средней мощности он равен 15 дБ, и только у маломощных приборов непрерывного усиления он достигает 20 дБ.

Стабилотрон

прибор магнетрон заряд электронный

Стабилотрон - это генератор высокостабильных по частоте колебаний, выполненный на основе платинотрона. Выходной тракт стабилотрона имеет отражатель для создания обратной связи с помощью отражённой на входе волны. В цепь обратной связи включен на входе высокодобротный стабилизирующий частоту контур. Для обеспечения перестройки частоты в цепь обратной связи между внешним резонатором и входом платинотрона включен фазовращатель в виде отрезка передающей линии переменной длины.

Устройство стабилотрона имеет вид, представленный на рис. 12, где 1 - стабилизирующая система; 2 - фазовращатель; 3 - ЗС платинотрона; 4 - выходной отражатель.

Рис. 12

Если на выходе платинотрона появится шумовой сигнал, то часть его отразится от отражателя 4, пройдёт практически без затухания на вход платинотрона и попадёт в резонатор. Составляющая шума с частотой настройки резонатора отразится от него ко входу платинотрона и усилится в нём, а уже усиленный сигнал отразится ко входу платинотрона. Таким образом, для колебаний с частотой резонатора появится замкнутая цепь обратной связи.

Если сдвиг фазы по петле обратной связи кратен 2, то связь положительная и происходит самовозбуждение колебаний. Основным элементом, стабилизирующим частоту автоколебаний, является резонатор. Фаза коэффициента отражения волны в месте расположения резонатора очень сильно зависит от частоты резонатора. Применение высокостабильного резонатора повышает стабильность генерируемой частоты в 100 - 200 раз по сравнению с простым короткозамыкателем на входе. Для перестройки частот необходимо перестраивать резонатор с одновременной подстройкой фазовращателя. Перестройка частоты возможна в диапазоне до 10 %.

По сравнению с магнетроном при той же мощности стабилотрон имеет более высокую стабильность частоты, низкое электронное смещение частоты и низкую степень «затягивания» частоты нагрузкой.

Карматрон и ультрон

Карматрон - это широкополосный генератор М-типа с замкнутым электронным пучком и разомкнутой замедляющей системой с электронной перестройкой частоты генерации (рис. 13). Используется встречно-штыревая ЗС, имеющая высокое сопротивление связи. При синхронизме выполняется условие самовозбуждения за счет противоположности направлений движения электронного потока и обратной волны.



Рис. 13

За счет более высокого сопротивления связи (в отличие от амплитрона) обратная связь в карматроне является более сильной и стабильной, и происходит не шумовая генерация, а гармоническая. Изменение анодного напряжения U_a при B = const вызывает перестройку частоты генерации примерно в 10 % -ной полосе частот.

Механизм формирования спиц пространственного заряда аналогичен ранее рассмотренному для амплитрона. Карматрон полезен там, где требуется сочетание высокой выходной мощности с безынерциионной перестройкой частоты. При f = 420 МГц, Р = 2,6 кВт, = 70 % электронная перестройка частоты составляет 5 %.

Ультрон в отличие от амплитрона является усилителем прямой волны. Для предотвращения обратной связи используется локальный поглотитель в замедляющей системе. Прибор включается в работу за счет усиливаемого сигнала, большего некоторой пороговой величины, а при отсутствии входного сигнала устойчив и тока не потребляет. Ультрон является более широкополосным, чем амплитрон.

Параметры одного из ультронов: частота 3 ГГц, Р_вых = 1 МВт, усиление 15 дБ, = 60 %.

По ультрон уступает амплитрону.



Приборы М-типа с разомкнутой ЗС и разомкнутым электронным пучком

Лампы бегущей волны типа М (ЛБВМ). По конструкции ЛБВМ делятся на плоские и цилиндрические. Рассмотрим плоскую конструкцию (рис. 14).

Рис. 14

Лампа имеет две основные части: инжектирующее устройство и пространство взаимодействия. Инжектирующее устройство состоит из катода 2 и управляющего электрода 3, обеспечивающих создание ленточного электронного потока 1 и ввод его в пространство взаимодействия. Электроны, вылетевшие из катода, в скрещенных полях Е_у и В двигаются по циклоидам. Подбираются такие условия, чтобы электроны в момент входа в пространство взаимодействия находились на вершине циклоиды.

В этой точке имеется только горизонтальная составляющая скорости

_.

Пространство взаимодействия образовано верхним электродом замедляющей системы 4 и нижним электродом 5 (холодный катод). Когда начальная скорость электронов в пространстве взаимодействия направлена параллельно электродам и равна переносной скорости

_,

траектория электрона будет прямолинейной. При отсутствии СВЧ-поля электроны должны попадать на коллектор 8. СВЧ-сигнал подводится через согласованный вход ЗС 6, а выводится через выходное устройство 7. Если фазовая скорость х_ф волны равна переносной скорости х_п электронов, то в пространстве взаимодействия происходит увеличение энергии СВЧ-поля в результате уменьшения потенциальной энергии электронов. Для предотвращения самовозбуждения имеется поглотитель 9. Процесс взаимодействия похож на процесс в магнетроне. Под действием поперечной составляющей СВЧ-поля происходит группирование электронов в области максимума тормозящего поля волны. Продольная составляющая тормозящего СВЧ-поля заставляет электроны смещаться вверх к аноду, где эффективность их взаимодействия увеличивается. Продольная составляющая ускоряющего СВЧ-поля, наоборот, смещает электроны вниз, где эффективность их взаимодействия уменьшается.

Электронный поток, входящий в пространство взаимодействия, имеет определённую толщину Д. Верхние электроны испытывают воздействие более сильного СВЧ-поля, чем нижние (рис. 15). Поэтому смещение электронов на верхней границе всегда больше, чем на нижней, в результате чего сечение пучка пульсирующее: оно в тормозящем поле увеличивается, а в ускоряющемся - уменьшается.



Рис. 15

Расчеты показывают, что в приборах типа М, несмотря на группирование электронов в тормозящем поле, объёмная плотность электронного пучка остается постоянной, так как одновременно с продольным группированием происходит увеличение сечения пучка. В конце пути электроны попадут на коллектор. Однако, если амплитуда СВЧ-сигнала велика, электроны могут попасть на положительную замедляющую систему раньше. Эти электроны максимально отдают свою потенциальную энергию СВЧ-полю. Линейная связь выходного и входного сигналов наблюдается до тех пор, пока электроны не начнут вблизи коллектора попадать на ЗС. С дальнейшим повышением мощности входного сигнала всё большее число электронов попадает на ЗС, причем точка начала попадания смещается влево. В этом случае замедляется рост выходной мощности, а коэффициент усиления ЛБВМ начинает уменьшаться, и происходит переход в режим насыщения.

При фиксированном значении U₀ ЛБВМ имеет более широкую полосу частот усиления, чем ЛБВО. Из-за влияния пространственного заряда отдельные слои пучка движутся с разными скоростями, скользят мимо друг друга. С изменением частоты может быть выполнено условие синхронизма для электронов других слоёв, движущихся медленнее или быстрее осевого

Недостаток ЛБВМ - высокий коэффициент шума (20 - 25 дБ). Поэтому ЛБВМ применяются как мощные выходные усилители сигналов дециметрового и сантиметрового диапазонов.

Цилиндрическая конструкция ЛБВМ представлена на рис. 16, где 1 - вход СВЧ-энергии; 2 - выход СВЧ-энергии; 3 - замедляющая система; 4 - управляющий электрод; 5 - катод; 6 - холодный катод; 7 - электронный пучок; 8 - коллектор.

Рис. 16

Лампа обратной волны типа М (ЛОВМ)

Лампа обратной волны типа М представляет собой усилитель, или генератор бегущей волны, в котором электронный пучок взаимодействует с обратной пространственной гармоникой замедляющей системы. Поскольку скорость электронов по величине и направлению совпадает с фазовой скоростью обратной гармоники, их групповая скорость направлена навстречу движению пучка, что обеспечивает существование положительной обратной связи. Если ток пучка достаточно велик (больше пускового), система самовозбуждется на частоте, определяемой скоростью электронов.

При изменении напряжения меняется скорость электронов и в соответствии с дисперсионной характеристикой изменяется частота колебаний. Устройство аналогично устройству ЛБВМ (рис. 17), где: 1 - катод; 2 - управляющий электрод; 3 - замедляющая система; 4 - электронный пучок; 5 - поглотитель; 6 - холодный катод; 7 - выход энергии; 8 - коллектор.

Вывод энергии расположен у катодного конца ЗС. У коллекторного конца ЗС расположен поглотитель, поглощающий волну, отраженную от выхода. В противном случае в приборе появится дополнительная обратная связь, что приведет к неравномерности частотной характеристики. Если вместо поглотителя поместить ввод энергии и работать при токах, меньших пускового, прибор превращается в регенеративный усилитель. Важным качеством ЛОВМ является линейность частотной характеристики.

Рис. 17

В непрерывном режиме в дециметровом диапазоне длин волн выходная мощность составляет десятки киловатт, в сантиметровом - сотни ватт; в миллиметровом - десятки ватт; составляет 50 - 60 %. Линейность электронной перестройки частоты является важным достоинством ЛОВМ.

Гирорезонансные приборы и генераторы дифракционного излучения

В гирорезонаторных СВЧ-приборах (мазеры циклотронного резонанса - МЦР) используется винтовой электронный поток, взаимодействующий с незамедленными электронными волнами. Эти приборы предложены советским ученым А.В. Гапоновым. Схема генератора имеет вид, представленный на рис. 18, где катод 1 имеет коническую форму и его эмитирующая часть выполнена в виде кольца. Для создания винтового электронного потока используется магнитное поле, направленное вдоль оси прибора. Проходя резонатор 2 (или отрезок линии передачи), электроны попадают на коллектор 3.

Длительное взаимодействие электронов с электромагнитной волной обусловлено подбором таких полей, что находящийся в тормозящем СВЧ-поле электрон через пол-оборота снова попадает в тормозящее поле. Гирорезонансные приборы являются наиболее мощными источниками излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн.

Генератор дифракционного излучения (ГДИ) содержит высокодобротный открытый резонатор и дифракционную решетку, под которой проходит электронный поток. Данный прибор является высокостабильным СВЧ-генератором.

Конструкция ГДИ была предложена советскими учёными Г.Д. Богомоловым и Ф.С. Русиным.

Рис. 18



Заключение

Рассмотренные выше приборы, работающие в микроволновом диапазоне длин волн, позволяют не только существенно расширить возможности телекоммуникационных систем, но и решить ряд технологических, научных и прикладных проблем медицины, сельского хозяйства, морского, железнодорожного транспорта, космической связи и др. Знание их параметров и технических характеристик позволяет грамотно подходить к разработке устройств и систем для указанных областей науки и промышленности.



Литература

1. Микроэлектронные устройства СВЧ/ Н.Т. Бова и др. ? Киев: Техника, 1984.

2. Червяков Г.Г., Кротов В.И. Полупроводниковая электроника: Учеб. пособие. - М.: Уч-метод.издат.центр «Учебная литература», 200

-230 с.

3. Полищук А. Полупроводниковые приборы на основе карбида кремния - настоящее и будущее силовой электроники // Силовая электроника. 2005. №4.

4. Данилин В., Жукова Т. Транзистор на GaN. Пока самый "крепкий орешек"// Электроника: МТБ. 2005. №4. С. 20 - 29.

5. Sabyasachi Nayak, Ming-Yh Kaoet al. 0.15 мт Power pHEMT Manufacturing Technology for Ka- and Q- Band MMIC Power Amplifiers. - 2005 GaAs MANTECH Conf. Dig. Ppr., 2005.

Майская В. SiGe-устройства. Нужная технология в нужное время // Электроника: НТБ. 2001. № 1. С. 28 - 32.

7. Шахнович И. Твердотельные СВЧ-приборы и технологии. Невоспетые герои беспроводной революции //Электроника: НТБ. 2005. №4. С. 14.

8. Шахнович И. Твердотельные СВЧ-приборы и технологии //Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2005. № 5.

9. www.gaasmantech.org. Материалы конференций GaAs MANTech.

10. НПП "Исток" развивает технологии твердотельной СВЧ-электроники. Интервью с С.И.Ребровым // Электроника: НТБ. 2005. №4. С. 8 - 11.

11. E. Kohn, M. Schwitters et al. Diamond-MESFETs - Synthesis and Integration. ? 2nd EMRS DTC Technical Conference, Edinburgh 2005 (www.emrsdtc.c om/conferences/2005/downloads//pdf/A2pdf).

12. Валентинова М. Экзотическая память // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2001. № С. 24 - 29.

13. Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Т. 1, 2. ?М.: Высш. шк. 1972.

14. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника/ Под ред. проф. Н.Д. Фёдорова - М.: Радио и связь, 1998.

15. Березин В.М., Буряк В.С. Электронные приборы СВЧ. - М.: Высш. шк. 1985.

Размещено на Allbest.ru

...