3. Генерирование электромагнитных колебаний сверхвысоких частот

3.1. Особенности генераторных ламп сверхвысоких частот

В диапазоне частот от 0,3 ГГц до 3 ГГц в качестве генераторных приборов большого уровня мощности могут использоваться конструктивно приспособленные электронные лампы: триоды и тетроды [3].

С увеличением частоты генерируемых колебаний на работу электронно-вакуумных ламп существенное влияние оказывает инерционность электронного потока. На рис. 3.1 показана пространственно-временная диаграмма для триода. Диаграмма представляет собой зависимость координаты электрона в межэлектродном пространстве от времени, то есть траекторию движения. По оси Х показаны положения катода, сетки и анода. Ниже, под диаграммой, изображены зависимости u_c – напряжение на сетке, i_c – ток сетки, i_a – ток анода.

а)
б)
в)
г)

Рис. 3.1. Пространственно-временная диаграмма движения электронов в триоде – а, напряжение на сетке – б, ток сетки – в, ток анода – г

Напряжение на сетке представляет сумму напряжения смещения U_см и синусоидального возбуждающего напряжения амплитуды u_c:

.

Сеточный ток возникает в момент времени t₁, когда напряжение на сетке достигает значения U_с0 – напряжения открытия лампы. Этот наведенный ток вызван движением электронов в пространстве сетка-катод. Сеточный ток увеличивается до момента времени t₂, когда электроны начинают пересекать плоскость сетки, так как электроны, движущиеся в промежутке сетка-анод, будут наводить в сеточной цепи противоположно направленную составляющую тока.

Как только первые электроны пересекут плоскость сетки, в момент времени t₂, появится анодный ток, наводимый электронами, движущимися в пространстве сетка-анод.

В момент времени t₃, когда первые электроны достигают анода, противоположно направленные составляющие сеточного тока, наводимые электронами в пространстве сетка-катод и сетка-анод, становятся равными, и ток сетки практически равен нулю.

В момент времени t₄ напряжение на сетке уменьшается до U_с0 и электроны начинают тормозиться полем сетки. Электроны, не успевшие пролететь плоскость сетки, возвращаются к катоду. В результате появляется обратный ток сетки, наводимый электронами, движущимися к катоду. Ток сетки прекратится в момент времени t₆, когда последний электрон, вылетевший с поверхности катода в положительную полуволну напряжения возбуждения, вернется обратно на катод. Кинетическая энергия электронов, вернувшихся на катод, преобразуется в тепловую, что вызывает добавочный разогрев катода, снижающий энергетические показатели генератора.

Ток анода прекратится в момент времени t₅, когда последние электроны, прошедшие плоскость сетки, достигнут анода.

Спектр последовательности импульсов анодного тока содержит первую гармонику

,

сдвинутую по фазе относительно возбуждающего напряжения u_c на величину . Так как первая гармоника анодного тока вносит энергию в колебательный контур, то между контурным током и током первой гармоники возникает фазовый сдвиг . Появление этого фазового сдвига (см. П.1.2) уменьшает генерируемую колебательную мощность и снижает КПД генератора.

Предельное снижение КПД имеет место при . В этом случае . Из равноускоренного движения электронов в пространстве сетка-катод расстояние d_ск равно

,

где а – ускорение электрона находится из второго закона Ньютона:

,

; ;

F – сила Кулона; e, m_e – заряд и масса электрона соответственно.

Так как , то

или

;

.

Умножим левую и правую части последнего выражения на С – скорость света и учтем, что – длина волны. Тогда

.

Откуда находим предельное минимальное значение длины волны генерируемых колебаний

,

.

Таким образом, длина волны генерируемых колебаний должна удовлетворять условию

. (3.1)

Индуктивность выводов лампы и межэлектродные емкости также приводят к ухудшению энергетических характеристик.

На рис. 3.2, а показана эквивалентная схема лампы, а на рис. 3.2, б – векторная диаграмма токов и напряжений на выходе лампы.

а) б)

Рис. 3.2. Эквивалентная схема лампы – а, векторная диаграмма токов и напряжений на входе лампы – б

Действующее комплексное значение первой гармоники катодного тока приближенно можно считать в фазе с возбуждающим напряжением . Напряжение на индуктивности катодного вывода опережает и по фазе на 90^о. Входное напряжение определяется векторной суммой и и сдвинуто по фазе относительно . Первая гармоника входного тока равна первой гармонике тока сетки лампы, а вектор действующего комплексного значения определяется емкостью С_ск и опережает на 90^о. Ток можно разложить на активную составляющую , совпадающую с вектором , и реактивную составляющую , ортогональную .

Активная составляющая входного тока является причиной появления входной проводимости лампы , где S – крутизна входной характеристики лампы в точке покоя. Появление активной входной проводимости свидетельствует о переносе части мощности входного сигнала в выходную цепь за счет наличия обратной связи, обусловленной индуктивностью общего катодного вывода и межэлектродной емкостью С_ск. Это явление приводит к снижению коэффициента усиления лампового генератора по мощности: .

С целью максимального уменьшения вредного влияния времени пролета электронами межэлектродного пространства, индуктивности выводов и межэлектродных емкостей на энергетические характеристики генератора для СВЧ диапазона были разработаны специальные конструкции металлокерамических ламп с плоскопараллельными электродами. На рис. 3.3 показана типовая конструкция генераторного металлокерамического триода.

Рис. 3.3. Типовая конструкция металлокерамического триода

Для уменьшения времени пролета расстояния между электродами в металлокерамических лампах составляют от сотых долей до 1 мм, а сами электроды имеют очень малую площадь. Уменьшение площади электродов приводит к необходимости увеличения плотности тока. В металлокерамических триодах используются подогреваемые катоды, позволяющие получить плотность тока более 2А/см². Большая плотность токов при малых размерах электродов ламп требует принудительного охлаждения. С этой целью лампы имеют радиаторы для воздушного или жидкостного охлаждения.

Выводы металлокерамических ламп обычно выполняют в виде дисков, колец или цилиндров большого диаметра, что обеспечивает малую индуктивность выводов и удобное сопряжение с колебательными системами резонансного типа СВЧ диапазона (см. рис. 1.10, 1.11). Выводы электродов припаиваются к керамическим кольцам, с помощью которых обеспечиваются вакуумно-плотная герметизация межэлектродного пространства, высокая точность установки электродов и механическая жесткость конструкции лампы. Кроме того, высокочастотная керамика на основе оксидов алюминия и титана имеет малые диэлектрические потери на СВЧ, что повышает собственную добротность цепей связи лампы с колебательными системами (см. рис. 1.11).

Современные металлокерамические лампы позволяют в дециметровом диапазоне длин волн генерировать колебательную мощность в несколько сотен киловатт при КПД 60…70 %. В импульсных режимах работы ламповые генераторы СВЧ позволяют получить мощности до единиц мегаватт. В сантиметровом диапазоне ламповые генераторы обеспечивают уровни мощности в сотни ватт. Время наработки на отказ у современных металлокерамических ламп составляет до 10 тыс. ч.

Таким образом, электронные лампы применяются в качестве генераторных приборов СВЧ; их конструкция снижает отрицательное действие инерции электронов и межэлектродные емкости на КПД генератора. Однако, с увеличением частоты генерируемых колебаний проявление инерционных и емкостных свойств ламп возрастает, и в сантиметровом диапазоне длин волн находят применение другие генераторные приборы: клистроны, магнетроны, лампы бегущей и обратной волны, диодные полупроводниковые приборы.