Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов

11

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ

Введение

Назначение и применение приборов СВЧ. Электронными приборами СВЧ называются приборы, использующие принцип отдачи электронным потоком энергии высокочастотному (ВЧ) полю. Длительное время пролёта электронов является необходимым условием их работы.

Электроника сверхвысоких частот изучает вопросы взаимодействия электронных потоков с переменными электромагнитными полями в системах, где время пролета электронов через пространство взаимодействия оказывается большим или сравнимым с периодом колебаний. К приборам СВЧ относятся электровакуумные приборы: клистроны, магнетроны, лампы бегущей и обратной волны (ЛБВ и ЛОВ), гироприборы и твердотельные полупроводниковые приборы. Из всех СВЧ полупроводниковых приборов рассмотрены только генераторы на ЛПД и диодах Ганна.

“ СВЧ диапазон ” перекрывает область частот 300 МГц - 300 ГГц. Приборы СВЧ (ПСВЧ) широко применяются в аппаратуре для телевидения, для радиосвязи, радиолокации, радионавигации, кибернетики, для различных технологических процессов, в многоканальных радиопередатчиках и т.д.

Глава 1

Физические основы электровакуумных приборов СВЧ

Классификация СВЧ приборов. Электронные приборы классифицируются по способу управления электронным потоком с помощью электромагнитных полей, по характеру применения статических полей.

Управление током. Изменение в пространстве плотности электронного потока носит название управления током. Существует два принципа управления электронным потоком:

∙Электростатическое управление;

∙Динамическое управление.

Использование постоянных электрических и магнитных полей. Прибо-

ры СВЧ по характеру использования статических магнитных полей подразделяются на приборы типа О и типа М.

Вприборах типа О статическое магнитное поле или вовсе не используется, или используется для фокусировки электронного потока. К этим приборам относятся клистроны, ЛБВ О и ЛОВ О.

Вприборах типа М движение электронов происходит в скрещенных постоянных E и H полях. К этим приборам относятся: магнетроны, ЛБВ М и ЛОВ М, платинотроны и др.

12

1.1. Характеристики и особенности электровакуумных приборов

Одной из центральных задач современной электроники является наращивание выходной мощности СВЧ генераторов и усилителей. Необходимость повышения мощности диктуется в основном развитием новейших средств ракетной техники, противоракетной обороны и дальней связи. Максимальные значения выходной мощности при работе в импульсном режиме составляют 30 МВт, магнетронов – 10 МВт, усилительных ЛБВ – 8 МВт (в дециметровом диапазоне).

Второй важной характеристикой является перестройка частоты. Наиболее перспективными считаются генераторы с электронной перестройкой частоты (ЛОВ типа “ М” и “ О”), усилительные ЛБВ.

Для увеличения дальности действия радиотехнических средств большое значение имеет уменьшение уровня собственных шумов приёмных усилительных приборов. В данное время малошумящими приборами в диапазоне СВЧ являются детекторные и смесительные диоды и ЛБВ.

Важной проблемой для мощных СВЧ генераторов и усилителей является проблема повышения КПД. Наиболее эффективными приборами следует считать клистроны и приборы магнетронного типа, КПД которых достигает в сантиметровом диапазоне длин волн 60%.

Повышение требований к надёжности действующего радиоэлектронного оборудования ставит перед СВЧ электронными приборами задачу повышения срока службы приборов.

Особенности электровакуумных приборов СВЧ. Электровакуумные при-

боры, предназначенные для работы в диапазоне СВЧ (108 ÷1012 ) Гц, занимают

особое положение среди современных электронных и газоразрядных приборов. Вместе с тем существуют обстоятельства, принципиально отличающие электронику СВЧ от “ обычной” ( низкочастотной) электроники. Рассмотрим их подробнее.

1. Первым важным фактором, характеризующим электронику СВЧ, являет-

ся соизмеримость периода колебаний со временем пролёта электронов между электродами “ лампы”.

2.Второе основное затруднение обусловлено: соизмеримостью рабочей длинны волны и линейных размеров цепи, в которую включается электровакуум-

ный прибор. Длина волны становится соизмеримой также с геометрическими размерами электродов, вводов и другими конструктивными элементами лампы.

3.В - третьих, цепи с сосредоточенными параметрами на СВЧ имеют столь серьёзные недостатки, что применение их в сантиметровом и более коротковолновом диапазоне практически исключено. В диапазоне СВЧ обязательными эле-

ментами цепей являются волноводы и полые резонаторы, т.е. цепи с распреде-

ленными или полураспределенными параметрами.

1.2. Основные уравнения и параметры электронных приборов СВЧ

13

Исходя из особенностей электровакуумных приборов, определим их исходные уравнения и основные параметры. Материал этой главы излагается на основе учебников, рекомендуемых вузами радиотехнических специальностей [1-

14].

Наиболее общий подход к явлениям электродинамики обеспечивается применением знакомых из теории электромагнитного поля уравнений Максвелла

[1,9]:

В этих уравнениях D и B – векторы электрического смещения и магнитной индукции, которые через диэлектрические и магнитные проницаемости связаны с векторами напряженностей электрического и магнитного полей:

D = e e0 E , B = mm0 H ,

Плотность полного тока определяется плотностями конвекционного тока и тока смещения:

где ρ - плотность объемного заряда, v – скорость движения электронного потока.

Из 1-го и 3-го уравнений системы (1.1) следует уравнение непрерывности:

Уравнения Максвелла можно дополнить уравнением движения (уравнение Лоренца) - зависимость скорости электронов v от величины электрического и магнитного полей:

сила, обусловленная действием магнитного поля. Если( v << c) , то релятивистской поправкой можно пренебречь. В дальнейшем будем считать, что m=m0 .

Можно легко показать, что в большинстве практически важных случаев достаточно учитывать в уравнении (1.4), кроме постоянных составляющих E и

15

При использовании уравнения движения (1.6) и граничных условий ( V = V0 , t = t0, x = x0), конечное выражение для скорости электронного потока вы-

глядит следующим образом:

Подставляя в уравнение (1.10) координату второго электрода

х =х0+d и считая, что t-t0 = t, то при U¹0, v0=0, получаем время пролета электронами межэлектродного промежутка d в режиме насыщения:

Уравнение движения с учетом переменного поля. Если между элект-

родами плоского зазора приложено переменное напряжение

U = U m sin ω t , то двойное интегрирование уравнения движения (1.6) дает:

x = x 0 + eUm [(ω t - ω t 0 )× cos ω t 0 - sin ω t + sin ω t 0 ] . (1.12) ω2 m d

Отсюда следует, что время пролета теперь имеет различную величину для электронов, вошедших в зазор в разные моменты времени t0. В этом случае невозможно ввести ” истинное” время пролета электрона.

Если на электроды приложить одновременно постоянное и переменное напряжения, т.е. U = U0 + Um sin ω t , то при соизмеримых величинах U0 и Um t силь-

но различается в зависимости от начального момента времени t0. Однако, при Um/ U0<<1 можно пренебречь малыми изменениями времени пролета, обусловленными переменной составляющей напряжения, и вычислять невозмущенное t.

Угол пролета. Абсолютная величина t сама по себе недостаточно полно характеризует влияние инерции электронов на работу прибора. Поведение электромагнитного поля в значительной степени зависит от соизмеримости t с периодом колебаний Т. Поэтому вводится понятие угла пролета электронов q:

Используя соотношение ω = 2π / T , определение угла пролета можно привести к виду:

С физической точки зрения угол пролета показывает изменение фазы напряжения, приложенного к электродам, за время движения электрона между электродами. При Um<<U0, угол пролета с учетом формулы (1.11) равен:

Если же на электроды наложено только малое переменное поле и электроны поступают в зазор с большой скоростью, то угол пролета описывается уравнени-

ем: θ = ω d / V0 .

Пространственно-временные диаграммы (ПВД). Движение электронов между электродами можно наглядно иллюстрировать графиками зависимости ко

ординаты электрона от времени - так называемыми пространственно-временными диаграммами. На рис. 1.2 приведено семейство парабол, отражающих движение электронов в плоском диоде в отсутствии пространственного заряда при нулевых начальных скоростях V0. На электроды диода наложено постоянное напряжение. Электроны, вышедшие из катода через любые равные интервалы времени, достигают анода (любой плоскости х=const) через равные интервалы.

На рис. 1.3 приведен вид диаграммы, построенной по уравнению (1.12). Она описывает движение электронов под действием переменного напряжения при равенстве нулю постоянной составляющей. (v0=0; пространственный заряд не учтен). Как видно не все электроны, имитированные катодом, достигают анода.

При большом междуэлектродном расстоянии d до половины вышедших электронов возвращаются на катод, рассеивая на нем свою кинетическую энергию. Некоторые электроны достигают анода лишь после нескольких “ качаний” в междуэлектродном пространстве. ПВД позволяет судить по густоте кривых, пересекающих линию х=const о мгновенной плотности конвекционного тока на фиксированном расстоянии от катода, например, на аноде. Касательная к кривой на ПВД определяет мгновенную скорость и, следовательно, кинетическую энергию электрона в каждой точке пространства в любой момент времени. Одновременно

17

могут быть сделаны выводы о мгновенной и средней мощности, рассеиваемой электронами на аноде и катоде.

Уравнение наведенного тока. Наведение тока при движении свободных зарядов в плоском зазоре. Вопрос о связи между движением электронов в лампе и током, протекающим во внешней цепи лампы, лежит в основе всей современной электроники. Рассмотрим для простоты плоский вакуумный зазор (рис. 1.4). Во внешней цепи зазора включен источник постоянного или переменного напряжения U, имеющий нулевое внутреннее сопротивление. Если свободные заряды отсутствуют, то на электродах зазора имеются поверхностные заряды

пластинами. Внесение в зазор заряда +q наводит за счет электростатической индукции поверхностные заряды –q 1 и –q 2, удовлетворяющие уравнению сохранения заряда: q-q1-q2 = 0. Эти заряды вызывают возникновение поля, накладывающегося на поле Е0. Напряженность поля слева от слоя и справа (рис. 1.4, в) будет равна:

С учетом того, что к зазору приложено напряжение U, можно записать:

E1 (x )+ E 2 (d - x )- U = E 0 ×d ,

где x - текущая координата заряженного слоя. Подставляем в последнее выражение значения Е1 и Е2 из (1.14). После несложных арифметических выкладок и с

18

Ток, регистрируемый во внешней цепи, будет равен:

Итак, ток во внешней цепи складывается из тока смещения dQ0 и тока, соз- d t

данного движущимся зарядом. Физический смысл второй компоненты полного тока легко понять на основе рассмотрения электрических силовых линий, выходящих из точечного заряда и оканчивающихся на одном из электродов. По мере движения заряда количество линий меняется и, в результате, электрические заряды переходят с одного электрода на другой через внешнюю цепь. Ток, создаваемый во внешней цепи движущимся электрическим зарядом, называют наведенным током. Для плоского зазора выражение мгновенного наведенного тока:

iнавед = qV . (1.16) d

Форма импульсов наведенного тока. Найдем форму импульсов тока,

протекающего во внешней цепи плоского диода при движении в нем точечных зарядов электронов. Для этого подставим в (1.16) скорость электрона в плоском зазоре из уравнения (1.9), тогда заменяя

q=-е, получим следующее выражение:

Форма импульсов Iнавед показана на рис. 1.5, на котором (а) соответствует импульсу наведенного тока, например, в пространстве сетка-

попадания электрона на второй электрод ток падает скачком до нуля. Если же первый электрод является катодом V0»0 (рис. 1.5,б), то импульсы наведенного тока имеют форму треугольника. Площадь импульса равна заряду электрона е.

19

Выводы: Длительность импульса тока от отдельных электронов равна времени пролета τ в данном зазоре. Ток прекращается, а не возникает в момент попадания электрона на электрод. Полный ток, протекающий во внешней цепи любого электронного прибора, имеет две основные составляющие: наведенный ток и емкостной ток. Так как полный ток во всех участках последовательной цепи одинаков, то внутри зазора, где заряды отсутствуют, полный ток представлен током смещения, а там где есть заряды – током переноса. Наведенный ток создается электронами и направлен навстречу движению электронов в зазоре.

Наведение тока в плоском зазоре при прохождении промодулированного по плотности электронного потока. Будем рассматривать движение в двух сеточном зазоре непрерывного потока с переменной объемной плотностью ρ при постоянной скорости электронов v0 (рис. 1.6).

Пусть плотность пучка, поступающего через входную сетку, меняется по гармоническому закону:

ρ = ρ0 + ρ1 sin ω t ,

где ρ0 - постоянная составляющая, ρ1- амплитуда переменной составляющей плотности заряда.

В фиксированной плоскости конвекционный ток определяется выражени-

где iнавед - наведенный ток, протекающий во внешней цепи зазора, когда сетки соединены накоротко (Е=0).

20

Предполагаем, что V0 =const внутри зазора (т.к. Е=0) и что в момент t0 слой проходит через центр зазора. Суммарный наведенный ток, получаем ин-

где γ - коэффициент взаимодействия, определяющий эффективность поведения тока в зазоре.

Тогда уравнение тока, наведенного модулированным электронным потоком, приобретает вид:

1.3.Электродинамические системы приборов СВЧ

Воснове работы электровакуумных приборов c электростатическим управление лежит изменение плотности электронного потока с помощью сетки, находящейся под отрицательным постоянным потенциалом по отношению к катоду, при поступлении переменного сигнала. создающей модуляцию конвекционного тока .

Наиболее ценной и характерной особенностью электростатического управления при низких частотах является практически нулевое потребление мощности от источника напряжения. Однако, на СВЧ, как показывает опыт, управление с