konspekt_vpe

31

Для відновлення форми сигналу використовується коливний контур, що є навантаженням лампи і працює на першій гармоніці Іа , або використовують двотактну схему із загальним навантаженням (первинна обмотка трансформатора) та зміщенням фази ламп на 180 . На вторинній обмотці знімають відновлений сигнал.

Рис. Режим класу С

Додаткові характеристики генераторних та модуляторних ламп.

Струм емісії катода – струм з катоду при діючому потенціалі лампи (постійному чи нетривалому) при якому зникає область прикатодного об ємного заряду.

Потужність розсіювання сітками – максимальна потужність, що може витримати сітка.

Зворотні струми керуючої сітки – струми термоелектронної емісії та вторинної електронної емісії з сітки при виникненні різниці потенціалів між нею та катодом (іноді кВ). Можуть руйнувати катод.

Опір холодного катода. Опір холодного катода може бути меншим за опір в робочому стані в 10 разів. При включенні одразу номінальної Uн катод перегоряє.

Особливості потужних генераторних ламп

Мають «праві» анодно-сіткові характеристики, основна частина знаходиться в областях позитивної сіткової напруги.

Позитивні Uс1 необхідні для отримання максимальних коефіцієнтів посилення та використання анодної напруги. При збільшенні густини сіток досягається коефіцієнт посилення = 50 100, що є достатнім для

застосування ламп в якості генератора. Працюють в режимах класу С або В.

При великих напругах Uс1 характеристики тріода мають пентодний характер, що дозволяє отримати більші струми аноду, вихідні потужності при високих ККД.

Найбільш вигідним місцем розташування робочої точки А, для отримання максимальної потужності, є перегин анодної характеристики.

Значення вихідної потужності пропорційно площі трикутника Еи -А- Uа_min.

Чим менші Ra і Uа_min тим менша потужність , що виділяється на аноді та в Ra. Але лампа знаходиться в режимі прямого перехвату електронів сіткою, сітковий струм мінімальний. Такий режим генератора отримав назву

недонапруженого.

При великих сіткових напругах в імпульсах до декількох кВ і значних сіткових струмах суттєвою проблемою є виникнення дінатронного ефекту і термоелектронної емісії які приводять до різких збільшень сіткових і анодних струмів. Це явище отримало назву блокінгефекту.

Протидією блокінгефекту є антидінатронні покриття сітки золотом та цирконієм, що також збільшує коефіцієнт випромінювання.

Особливості потужних модуляторних ламп

Мають переважно «ліві» анодно-сіткові характеристики, з великою протяжністю лінійних ділянок, основна частина знаходиться в областях негативної сіткової напруги.

Застосовуються у вихідних каскадах підсилення низької частоти з малим нелінійним спотворенням вхідних сигналів. Тому працюють в режимі класу А з малими ККД.

Зменшена густина сіток приводить до невеликих коефіцієнтів посилення = 5 20.

Катоди потужних ламп

В залежності від потужності лампи, напруг на електродах, інтенсивності іонного бомбардування, величини зворотних катодних струмів з сіток використовують:

-оксидні;

-оксидно-торієві;

32

-карбідовані;

-вольфрамові.

Конструкція катодів визначається максимальною площею емісії, термоміцністю, з врахуванням температурного коефіцієнта розширення матеріалів катоду, виводів катоду та балону лампи.

Може використовуватись живлення трифазною напругою.

Переведення в робочі режими відбувається поступово для усунення перегорання катодів та виникнення пробоїв.

Сітки потужних ламп

Конструкція сіток визначається максимальною потужністю розсіювання та допустимою температурою. Використовують:

-молібденові спіральні сітки (малопотужні та лампи середньої потужності) із зачерненими радіаторами під єднаними до траверзів;

-стрижневі сітки з прутків, танталові стрічки приварені до танталових кілець (потужні лампи), як правило, до виводів сіток застосовується примусове охолодження.

Використовують антидінатронні та радіаційні покриття із золота та цирконію. Застосовують не жорстке кріплення з кільцевим обмеженням.

33

34

35

Прилади НВЧ

1 ПРИЛАДИ ІЗ ДИНАМІЧНИМ КЕРУВАННЯМ ЕЛЕКТРОННОГО ПОТОКУ

1.1 Взаємодія електронного потоку із електромагнітними полями в електровакуумних приладах НВЧ. Загальні принципи перетворення енергії електронів в енергію НВЧ поля.

Як відомо, будь-який генеруючий або підсилюючий пристрій є перетворювачем енергії постійного (змінного) електричного поля в енергію електромагнітного поля необхідних параметрів з використанням речовини або середовища, що має властивості негативного або інверсійного поглинання. В електроніці НВЧ таким середовищем є вільні електрони, що рухаються у вакуумній камері приладу та створюють конвекційний струм.

Теоретично, відбір енергії НВЧ полем відбувається лише тоді, коли або енергія, що віддається кожним електроном полю перевищуватиме енергію забрану ним від нього, або кількість електронів що віддають енергію перевищуватиме кількість електронів прискорюваних цим полем. Перша умова технічно важко здійснимо із-за необхідності керуванням кожним електроном окремо. Друга – доступніша і здійснюється шляхом перетворення рівномірного по щільності та по швидкості потоку електронів в потік, щільність якого змінюється в часі і в просторі згідно певного закону.

На даний момент відомо два способи управління щільністю струму в потоці: електростатичний і динамічний .

Електростатичний спосіб широко використовується у довгохвильовій радіотехніці і реалізується в добре відомих тріодних, тетродних та пентодних генераторах, що мають наступні загальні риси:

–перетворення рівномірного по щільності електронного потоку в модульований по щільності потік досягається в просторі катод – сітка;

–взаємодія потоку змінної щільності з електромагнітним полем, що приводить до відбору енергії відбувається

впросторі сітка – анод.

36

–ці два процеси розділені не лише в часі, а і в просторі.

Незважаючи на широке застосування генераторів з електростатичним способом керування електронним потоком, їх використання в діапазоні НВЧ неефективно. Це пояснюється тим, що час прольоту електронів в просторі сітка – анод стає більшим за період хвилі НВЧ коливань і це приводить до того, що електрони можуть не лише віддавати свою енергію полю, а, при зміні гальмуючої фази на прискорювальну, віднімати її у нього.

Для оцінки впливу часу прольоту електронів на ефективність використання електровакуумного приладу зазвичай використовують кут прольоту електрона

2 f e .

Якщо кут прольоту не перевищує 0,1 , обмеженням швидкості електронів можна знехтувати. В протилежному випадку ефективність роботи приладу швидко падає із зростанням частоти. Так, швидкість електрона наприкінці його траєкторії біля аноду, при нульовій початковій швидкості визначається як

швидкість електрона складе приблизно 3*105 м/с, а час прольоту електрона e - 10-9 с. Для низьких частот цей час

неістотний, проте на частоті 1 ГГц він дорівнює періоду коливань.

У відмінності від електростатичного способу модуляції по щільності потоку електронів, в динамічному способі НВЧ поле модуляції впливає не на при катодний об‗ємний заряд, збільшуючи або зменшуючи глибину потенційного бар'єру, а тільки на швидкість електронів потоку. При цьому способі відсутні електрони, що повертаються на катод і в більшості випадків знімається принципове обмеження на співвідношення періоду хвилі електромагнітних коливань та часу прольоту електронів в області енергообміну.

Різноманіття типів динамічних способів обумовлене варіаціями напрямів модуляції електронного потоку, тобто напрямком дії електричної і магнітної компонент полів модуляції і напрямку руху електронного потоку (подовжній, поперечний тип і т. д.). Власне кажучи, механізм групування електронів визначає класифікацію приладів. Прилади М- типу мають механізми групування подібний до магнетрона, в якому напрямок вектора електричного поля, що задає початкову швидкість електронів, перпендикулярна напрямку вектора магнітного поля. В приладах О- типу (ЛБВ, клістрон, ЛОВ) електричне та магнітне поля паралельні одне одному.

Важливим в процесі відбору енергії електронів є фазове фокусування, виконання якого забезпечує перенаселеність електронів в гальмуючій фазі поля, яке посилюється – умова передачі кінетичної енергії електронного потоку полю за рахунок гальмування електронів цим же полем . Для цього необхідне виконання ефективного групування електронів по щільності, що і забезпечується пристроями модуляції електронного потоку по швидкості та по щільності.

Існує класифікація типів модуляції за часом дії на електронний потік: модуляція із короткочасною (нетривалою) взаємодією і модуляція із розподіленою (тривалою) взаємодією електронного потоку з НВЧ полем.

Приклад реалізації модуляції електронного потоку при короткочасній взаємодії представлений на рис.1.1. Цей спосіб модуляції застосовується в таких приладах як пролітний клістрон [17, 18].

EНВЧ

ЕП

ve

катод

d

U0

Рисунок 1.1 – Схема реалізації модуляції електронного потоку НВЧ полем при короткочасній взаємодії.

Узагальному випадку, функціонально схему, представлену на рис.1.1, можна розбити на три області.

Перша область – це електронна гармата з електронно-оптичною системою, що забезпечує емісію, формування і прискорення електронного пучка в електростатичному полі, енергія якого перетворюється в кінетичну енергію електронів.

37

Друга область – зазор-модулятор шириною d, в якому відбувається зміна швидкості електронів. Причому необхідне обмеження d< де – довжина хвилі сигналу модуляції.

Третя область – простір групування, в якому відбувається ущільнення згустків електронів по щільності, завдяки модуляції по швидкості залежно від фази поля модуляції (позитивний або негативний приріст швидкостей) Згустки формуються навколо нульових електронів, які проходять модулятор в нульову фазу НВЧ коливань поля. Довжину простору групування вибирають згідно умови максимальної глибини модуляції електронного потоку по щільності.

Хоча при короткочасній модуляції умова d< реалізується легше, ніж в пристроях електростатичного керування, але при зменшенні довжини хвилі модуляції виникають труднощі із точністю виготовлення і юстируванням таких модуляторів. Крім того із зменшенням довжини зазору, або збільшенні початкової швидкості, зменшується час дії поля на електрони, що погіршує глибину модуляції. Ці недоліки знімаються при використанні пристроїв формуючих електронний потік з тривалою взаємодією електронів і НВЧ поля .

Схема модуляції електронного потоку з тривалою взаємодією поля і електронів представлена на рис. 1.2.

Рисунок 1.2 – Схема модуляції ЕП при тривалій взаємодії поля і електронного потоку

Рівномірний електронний потік рухається спільно з електромагнітною хвилею, що біжить. Важливим є досягнення умови фокусування по швидкості - рівності фазової швидкості хвилі, що біжить (vф) і швидкості електронного потоку (vе). Ця умова досягається при використанні уповільнюючих систем. При виконанні фокусування по швидкості електромагнітну хвилю і електрони можна представити взаємно нерухомими і в системі відліку електрона на нього діє майже постійне електростатичне поле. Електрони, що знаходяться в гальмівній фазі електромагнітного поля отримують негативний приріст швидкості, а електрони, які знаходяться в фазі прискорення, – отримують позитивний приріст швидкості. Як і в способі групування з короткочасною взаємодією, максимальна щільність електронів в пучку формується довкола електронів, що знаходяться в нульовій фазі хвилі. Відмінність і переваги в порівнянні з нетривалою взаємодією є те, що простір взаємодії і простір модуляції поєднані, знімаються складнощі довжиною зазору і збільшується час модуляції електронного пучка.

Відбір енергії від модульованого по щільності ЕП до поля хвилі, що посилюється здійснюється аналогічними, а інколи і тими пристроями (відбивні клістрони, ЛЗХ, ЛБХ), якими і проводилася модуляція. Виняток становлять гібридні прилади, в яких для підвищення ККД і збільшення ширини робочої смуги частот поєднуються два способи перетворення енергії: короткочасний і тривалий. Прикладом такого приладу може служити твістрон – поєднання пролітного мультирезонаторного клістрона і лампи хвилі, що біжить .

Уприладах із короткочасною взаємодією передача кінетичної енергії електронів в енергію змінного електромагнітного поля відбувається при проходженні зазору резонатора, в якому збуджуються коливання потрібної частоти (клістрон).

Убільшості приладів із тривалою взаємодією хвиля модуляції є хвилею, що посилюється. Для виконання умови фазової умови фокусування в приладах з розподіленою взаємодією швидкість електронного потоку роблять ненабагато більшою за фазову швидкість хвилі взаємодії.

38

У випадку використання релятивістських потоків електронів, ефективність подовжнього групування електронів по швидкості зменшується бо на зміну швидкості релятивістських електронів потрібно затратити значно більшу енергію, ніж нерелятивістських. Тому доцільним стає використання не подовжнього, а поперечного групування по швидкості та по щільності електронів, відносно руху всього електронного потоку. Зразком приладу з такою взаємодією може бути мазер на циклотронному резонансі (МЦР) або гіротрон , в якому електрони обертаються в постійному магнітному полі разом із циркулярно-поляризованою електромагнітною хвилею. На рис 1.3 показана схема енергообміну в МЦР.

В

А

Рисунок 1.3– Схема енергообміну в МЦР Напрям руху спіралеподібного, рівномірного по щільності електронного потоку і електромагнітної хвилі

збігаються з силовими лініями магнітного поля, а – циклічна частота обертання вектора поляризації електромагнітної хвилі. Циклотронна частота обертання електронів визначається як

де е і m -заряд і маса електрона; В- циклотронна частота обертання електрона; В - модуль вектора

магнітної індукції; - релятивістський чинник; с - швидкість світла.

Над електронами ділянки АвВ хвиля здійснює позитивну роботу, а на ділянці АаВ – негативну. У результаті згустки електронів формуються в районі точки А, за умови що В / = . Сумарна робота поля в цьому випадку дорівнює 0. Енергообмін можливий у разі коли циклотронна частота не дорівнює частоті електромагнітного поля. При В / ≥ згусток поступово зміщується в гальмівну фазу поля, виконується умова фазового фокусування і електрони передадуть хвилі частку своєї кінетичної енергії. Електромагнітна хвиля посилиться, або виникне вимушене циклотронне випромінювання (магнітно-гальмівне, яке лежить в основі роботи гиротрона).

1.2. Основні параметри приладів НВЧ

До основних параметрів відносять коефіцієнт посилення, вихідну потужність, ККД, смугу пропускання, шумові характеристики вихідну потужність, ККД, діапазон перебудови частоти, характеристики стабільності генерації.

Коефіцієнт посилення визначається відношенням вихідної потужності Рвих до вхідної Рвх. Зазвичай цю величину визначають в децибелах:

Ширина смуги пропускання ∆f визначається добротністю резонаторів для резонансних підсилювачів і смугою пропускання систем уповільнення хвилі, узгодженої із зовнішніми лініями передачі, для нерезонансних підсилювачів. Зазвичай ширина смуги пропускання вимірюється по рівню половинного значення вихідної потужності від максимального значення в смузі пропускання. Вона може бути вказана також у відсотках, тобто

40

Між резонаторами розташовується труба дрейфу, в якій відбувається групування і модуляція по щільності промодульованого за швидкістю електронного пучка. Металева труба дрейфу екранує простір дрейфу від зовнішніх електричних полів. На робочій частоті труба дрейфу має властивості позамежного хвилеводу і перешкоджає встановленню зворотного зв'язку між виходом і входом клістрона.

Максимально досяжна глибина модуляції в дворезонаторному клістроні обмежена явищем електростатичного розштовхування електронів в пучці. Використовуючи три і більше резонаторів з незначним роз‗юстуванням можна добитися значного збільшення глибини модуляції пучка по щільності і тим самим збільшити посилення, ККД і смугу робочих частот клістрона.

Рисунок 2. Трирезонаторний пролітний клістрон великої потужності:

1- катод; 2, 3, 4 - вхідний, проміжний і вихідний резонатори; 5 - колектор; 6 - прольотні труби; 7 - вихідне вікно; 8 -

механізм налаштування; 9 - керамічна труба; 10 - вхідне вікно.

На рис.2 наведена загальна схема трирезонаторного пролітного клістрона. Вихідний резонатор завжди налаштовується на частоту вихідного сигналу. Якщо клістрон підсилювальний, то частоти налаштування вхідного і вихідного резонаторів однакові. У клістронах помножувачів частоти вихідний резонатор налаштовується на

частоту заданої гармоніки вхідного сигналу.

Щоб клістрон працював в режимі генератора із самозбудженням, створюється внутрішній або зовнішній ланцюг зворотного зв'язку. Зовнішній ланцюг зворотного зв'язку зазвичай складається із пристрою зміщення фази коливань для створення умов балансу фаз і атенюатора, для підбору балансу амплітуд. У ланцюг зворотного зв'язку часто включається резонатор, налаштований на робочу частоту клістрона, який сприяє підвищенню

стабільності частоти сигналу, що генерується.

Розглянемо основні параметри і характеристики пролітних клістронів.

Коефіцієнт посилення дворезонаторного клістрона порядку 10... 15 дБ. Приблизний максимальний коефіцієнт посилення (у децибелах) для N – резонаторного клістрона

Отримати коефіцієнт посилення багаторезонаторного клістрона більше 60 дБ важко із-за паразитних зворотних зв'язків і самозбудження коливань.

На рис.3а приведена амплітудна характеристика клістрона, з якої видно, що при малих сигналах (область

1), клістрон є лінійним пристроєм, в області II настає насичення, коефіцієнт посилення зменшується (рис. 3б), а

вихідна потужність продовжує зростати.