книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот
..pdfзнакам: принципу действия, конструкции, выполняемом функции, режиму работы и др. Научная классификация призвана охватить приборы как существующие, так и еще не созданные.
Интересные предложения по классификации элек тровакуумных приборов были сделаны еще в 1939 г. С. А. Оболенским при участии А. Г. Александрова, Ю. Д. Волдыря, В. С. Лукошкова и В. С. Мошковича. Ими были введены следующие признаки классификации электровакуумных приборов:
—'По значению для работы приборов свободных эле ментарных зарядов;
—по виду электрического разряда;
—по характеру и методу управления основным по током свободных элементарных зарядов;
—по степени и методу фокусирования основного по тока свободных элементарных зарядов;
—но характеру преобразования или превращения
энергии и назначению; |
оболочки. |
||
— по виду и роду катода, охлаждения, |
|||
На |
основании введенных классификационных |
при |
|
знаков |
в 1941 г. был разработан проект ГОСТа |
«При |
|
боры |
электровакуумные. (Классификация, |
термины, |
определения)», который по настоящее время не поте
рял своей |
актуальности, но не был выпущен в |
свет |
в связи с |
начавшейся Великой Отечественной |
вой |
ной [24]. |
|
|
Предложения по схеме научной классификации при менительно к электровакуумным приборам СВЧ были сделаны также несколько лет назад Я. М. Туровером [15]. В основу этой схемы положены инерционные и радиационные свойства электрона, характер электро магнитных полей, в которых движется или взаимодей ствует электрон, а также заряд, масса, спин и магнит ный момент электрона.
Рассмотрение предложенных схем классификации показывает, что они не имеют общности для всех клас сов приборов, рассчитаны лишь на отдельные классы приборов и не учитывают новых' видов приборов, по явившихся за последние годы. Известные схемы класси фикации составлены без учета применения приборов. В целях восполнения этого пробела ниже предлагаются схемы технической классификации электровакуумных
12
полупроводниковых и газоразрядных приборов по сход ству их признаков для выполнения определенных функ ций в радиоэлектронной аппаратуре. Назовем их схе мами классификации но применению.
Любая радиоэлектронная аппаратура, независимо от назначения и решаемых ею задач, имеет ряд общих черт. При этом самым общим в радиолокационных и навигационных устройствах, системах связи, радиотеле скопах.. электронно-вычислительных машинах, радио спектроскопах п т. п. является то, что во всех их пере дача, прием пли обработка информации осуществляется радиоэлектрониыми методами.
Поэтому для аппаратуры, которая обеспечивает пере дачу, прием или обработку информации радиоэлектрон ными методами, все электронные приборы, независимо от того, являются ли они электровакуумными, полу проводниковыми, газоразрядными, приборами с исполь зованием свойств твердого тела, плазмы и т. п., могут быть подразделены, как показывает анализ, на пять основных классов.
I к л а с с — п р и б о р ы п е р е д а ч и и п р и е м а и н ф о р м а ц и и (в о с н о в н о м п р и б о р ы СВЧ). Данные приборы обеспечивают передачу в пространство и прием электромагнитных колебаний, несущих инфор мацию. Характерным для этих приборов является то, что они определяют энергетический потенциал радио электронной аппаратуры.
Кприборам СВЧ, применяемым в передающих
устройствах и входных каскадах приемников, а также в качестве вспомогательных элементов в трактах СВЧ, относятся: магнетроны, клистроны, ЛОВ, ЛБВ, резо нансные разрядники, кристаллические детекторы, кван товые усилители и другие мощные и маломощные при боры непрерывного и импульсного режима работы. Все эти приборы выполняют функции передачи и приема сигналов, несущих информацию в виде когерентных электромагнитных .колебаний преимущественно сверх высоких частот (в отдельных случаях низких частот и частот вплоть до оптического диапазона). Можно ска зать, что приборы СВЧ с помощью антенного устрой ства обеспечивают как бы взаимодействие радиоэлек тронной аппаратуры с свободным 'пространством. Лишь
13
о отдельных случаях приборы СВЧ наряду с прохожде нием информации •обеспечивают и ее обработку.
Приборы этого класса, как правило, одиночного при менения (в зависимости от сложности аппаратуры удель ный вес их ко всем другим электронным приборам со
ставляет от 0,01 — 5%).
Надежность* этого класса приборов сравнительно невысока, хотя усредненная интенсивность отказов для различных видов и типов приборов изменяется до 1000 и более раз. По этой причине, несмотря на малое коли чество приборов GB4 в аппаратуре, они в значительном мере определяют эксплуатационную надежность радио электронных средств. Более подробно вопросы надеж ности и удельного веса электронных приборов и элемен тов в радиоэлектронной аппаратуре рассмотрены в ра
боте И. И. Морозова [16]. |
|
|
|
|
|||
II |
(в |
к л а с с — п р и б о р ы о б р а б о т к и и н ф о р м а |
|||||
ц ии |
о с н о в н о м |
п р и б о р ы |
НЧ |
и ВЧ). |
Это — |
||
приборы |
преимущественно |
высоких |
и |
низких |
частот |
||
(редко сверхвысоких частот) |
самого |
широкого и массо |
|||||
вого |
распространения. |
К этому классу |
приборов |
отно |
|||
сятся приемно-усилительные |
лампы, полупроводниковые |
диоды, транзисторы, газоразрядные приборы, модуля торные, выпрямительные и универсальные генератор ные лампы.
В подавляющем большинстве случаев приборы НЧ
иВЧ обеспечивают работу и взаимодействие схем, узлов и блоков самой аппаратуры и выполняют функ ции обработки сигналов передаваемой и принимаемой информации с помощью приборов СВЧ путем преобра зования и усиления электрических сигналов, управле ния различными процессами и режимами в аппаратуре
иисполнительными механизмами. Они используются для целей выпрямления, защиты от перегрузок в различных цепях, стабилизации питающих напряжений и т. п. Удельный вес различных подгрупп приборов этого клас са варьируется в больших пределах от 0,1 до 98% по от ношению ко всем электронным приборам, применяе мым в аппаратуре.
Наиболее |
массовые |
приборы |
этого |
класса имеют |
* Оановные |
показатели |
надежности |
и их |
определения даны |
в гл. 7. |
|
|
|
|
14
большие сроки службы и высокую надежность. Учитывая, что общая надежность схем при последо
вательном соединении N элементов (без резервирова ния) определяется как
* = ! ) * < * •
нетрудно видеть, что данный класс приборов также существенно влияет на надежность радиоэлектронной аппаратуры.
За последние годы, в целях резкого сокращения га баритов, веса и энергопотребления аппаратуры, многие приборы НЧ и ВЧ для приемно-усилительных схем и электронно-вычислительных машин все чаще стали за меняться миниатюрными функциональными узлами (бло ками), микромодулями и элементами молектроники.
III к л а с с — п р и б о р ы р е г и с т р а ц и и и н ф о р |
|
м а ц и и |
( и н д и к а т о р н ы е и н а к о п и т е л ь н ы е |
п р и б о р ы ) . Они используются преимущественно в вы |
ходных каскадах аппаратуры, обеспечивая оператору передачу информации, обработанной с помощью прибо ров общего применения, и накопление («запоминание») полученной информации в течение длительного време ни. Эти приборы преобразуют электрические сигналы в световые, решают задачи интегрирования сигналов и выделения их на фоне шумов. К данному классу при боров относятся приемные электронно-лучевые трубки, накопительные трубки (потенциалоскопы, характроны,
тайпатроны |
и др.). |
IV к л а с с — п р и б о р ы п р е о б р а з о в а н и я ин |
|
ф о р м а ц и и |
н е э л е к т р и ч е с к и х с и г н а л о в (при |
боры-преобразователи). Они служат для превращения некогерентных световых сигналов (или изображения), сигналов теплового излучения, механических колебании звуковой и ультразвуковой частоты в электрические сиг налы, обрабатываемые далее радиоэлектронными мето дами. К ним относятся передающие телевизионные труб ки, фотоэлементы, электронно-оптические преобразова тели, фотодиоды и фототриоды, счетчики радиоактивных излучений, пьезоэлектрические, магнито- и электрострик-
15
цнонные преобразователи, электролюминесцентные экра ны и др.
V |
к л а с с — п р и б о р ы о ц е н к и |
п р а в и л ь н о |
|
с т и п р о х о ж д е н и я и н ф о р м а ц и и |
( и з м е р и |
||
т е л ь н ы е |
п р и б о р ы ) . Они обеспечивают решение |
||
задач измерительной техники — выдачу эталонных |
ча |
||
стот, сигналов с заданными уровнями мощности и |
шу |
мов, преобразование различных видов сигналов в сиг налы, доступные для измерений. К ним относятся: ис точники шумов, термисторы и вакуумные термопары, электрометрические лампы, датчики-преобразователи и т. п. В ряде случаев для измерительных целей исполь зуются приборы I—IV классов, которые применяются для построения радиоэлектронной аппаратуры, или по добные же приборы, но специально сконструированные для измерительных целей (расширен диапазон пере стройки по частоте, обеспечена импульсная и частотная модуляция, высокая стабильность по частоте, выходной мощности и т. п.).
Схема разделения электронных приборов на классы по признакам применения, основным функциям, выпол няемым приборами, и связь их с техническими показа телями и характеристиками аппаратуры показаны на рис. 1.1.
Каждый класс электронных приборов, определяемым общими (типичными) функциями в радиоэлектронной аппаратуре, в свою очередь, как показывает анализ, целесообразно разделить на подклассы приборов (в за висимости от выполняемых функций в конкретной схеме).
Необходимость классификации по принципу действия, конструктивному выполнению приборов и режимам их работы заставляет ввести разряды, виды и группы (ка тегории) приборов. В этом случае общая структура схем классификации электронных приборов по приме нению, отражающая функции, выполняемые приборами,
их принцип действия, конструкцию |
и связь с общими и |
частными требованиями, может |
быть представлена |
в виде, показанном на рис. 1.2. |
|
Рассмотрим более подробно схемы классификации приборов СВЧ.
В зависимости от выполняемых функций приборы
16
Рис. 1.1. Схема разделения электронных приборов на основные классы по признакам применения.
ПриборЫ:
генераторные,
усилительные,
модуляторные,
ВЬтрямителЬные и т.п.
Ван уумные, газораз рядные и полупровод - ниновЫе;со статиуес - ним,динамическим и др.видами управления: различного Нонструктидного Выполнения
Рис. 1.2. Структура схем классификации электронных приборов по применению.
СВЧ могут быть подразделены на следующие tpn под класса:
— приборы для передающих устройств, в основном, мощные;
— приборы для приемных устройств — приборы маломощные н с малым фактором шума, предназначен ные для входных каскадов приемников;
— приборы коммутационные и вспомогательные, обеспечивающие совместную работу передатчика и при емника на одну антенну, а также развязку между от дельными приборами и сопряжение приборов в СВЧ трактах.
Необходимость разделения приборов СВЧ на виды диктуется тем, что разнообразные способы превраще ния энергии постоянного тока в энергию ВЧ и разнооб разные виды взаимодействия электронов с электромаг нитными полями накладывают значительные особенности на технические и эксплуатационные характеристики приборов. Действительно, использование свойств наве денных токов, инерционные и радиационные свойства электронов, резонансные явления в атомах и молекулах, явления параметрического резонанса и т. п. позволяют создать приборы с различной эффективностью в раз ных участках диапазона СВЧ при протекании процессов
ввакууме, плазме, полупроводниках, твердом теле. Мощные приборы непрерывного и импульсного дей
ствия до настоящего времени удалось создать только при использовании управления электронными потоками в вакууме. Характерными параметрами для этих при боров является к. п. д. т| и выходная мощность Р. Мало мощные приборы СВЧ созданы при использовании явле ний управления электронными токами и свойств элек тронов в вакууме, плазме, полупроводниках и твердом теле. При этом для входных приборов характерными параметрами являются коэффициент шума /гш, а для усилителей промежуточной частоты — коэффициент уси ления kyc.
В приборах для коммутации СВЧ колебаний боль шой и малой мощности широко используются свойства газовых сред и ферритов. Характерными параметрами этих приборов в режиме приема являются потерн L, а в режиме передачи — просачивающаяся мощностьРор и время восстановления Тц0С.
2* |
19 |
В зависимости от вида управления колебательными процессами существующие приборы СВЧ можно отнести
ктрем категориям:
—приборы с управляемыми пространственным за
рядом в вакууме и носителями тока в полупроводниках и газах (диоды, триоды, тетроды, кристаллические де текторы, туннельные диоды, резонансные разрядники, ферриты и др.);
— вакуумные приборы с модуляцией электронного потока по скорости и плотности с непосредственным взаимодействием его с полем колебательной системы (магнетроны, платинотроны, клистроны, ЛБВ, ЛОВ);
— приборы с использованием параметрических яв лений и квантовомеханических эффектов (полупровод никовые и вакуумные на электронных пучках, парамет рические усилители и квантовые генераторы и усилители на твердом теле и с использованием газовых сред и по токов нейтральных молекул).
Учитывая сказанное, схему классификации распро страненных электронных приборов СВЧ по применению целесообразно представить в виде, показанном на рис. 1.3.
Электрические и эксплуатационные характеристики приборов СВЧ во многом зависят от их конструктив ного выполнения: системы фокусировки электронного пучка и охлаждения, ввода и вывода энергии, механиз ма перестройки частоты. Поэтому приборы СВЧ под разделяются на приборы с электростатической и маг нитной фокусировкой, естественным и принудительным (воздушным и жидкостным) охлаждением, коаксиаль ным и волноводным выводами энергии, фиксированной настройкой, механической (включая гидравлические и термические способы) и электронной перестройкой ча стоты.
Система фокусировки и охлаждения оказывает суще ственное влияние на потребляемую энергию, габариты и вес приборов.
Выбор вывода высокочастотной энергии во многом связан с требованиями запаса по электрической проч ности, средней мощности и широкодиапазонности при боров. Система перестройки частоты оказывает суще ственное влияние на диапазон и скорость перестройки.
Режим работы и условия использования электронных приборов в аппаратуре в зависимости от ее назначения
20
Рис. 1.3. Схема классификации приборов СВЧ.