§ 1.2. Сеточные лампы СВЧ в режиме малых амплитуд

8

На векторной диаграмме Iа.нав отстает по фазе от переменного напряжения управляющей, сетки, а наведенный ток управляющей сетки I с1.нав опережает его. Поэтому

влияние времени пролета проявляется в увеличении емкости. Увеличение входной емкости по сравнению с холодной лампой составляет примерно 30% ( Свх (ω) ≈ 43 Cвх ).

С увеличением частоты углы пролета во всех промежутках возрастают, следовательно, становятся большими углы между векторами на рис. 1.3 и вся система векторов поворачивается по часовой стрелке. Кроме того, увеличение углов пролета приводит к уменьшению средних значений конвекционного тока в промежутках. Таким образом, должно наблюдаться увеличениеI с1.нав и уменьшение угла ϕс1 . Это значит, что с ростом

частоты происходит увеличение активной составляющей сеточного наведенного тока и мощности, потребляемой сеточной цепью от источника переменного напряжения

Активное входное сопротивление лампы обычно рассчитывают по приближенной

электрона от катода до первой сетки; р — поправочный коэффициент, связанный с тем, что при выводе формулы (1.18) не учтено влияние времени пролета в промежутке II между первой и второй сетками. По формуле (1.18) активная составляющая входного сопротивления обратно пропорциональна квадрату частоты, т. е. потери мощности пропорциональны квадрату частоты.

9

§ 1.3. Сеточные лампы СВЧ в режиме больших амплитуд

Движение электронов в промежутке катод—управляющая сетка можно определить, пользуясь уравнением движения

(1.19)

при этом для упрощения рассмотрим случай, когда напряжение сетки содержит только переменную составляющую

Напряженность поля в промежутке катод—сетка при густой управляющей сетке определяется практически напряжением сетки, т. е.

где dc1−k — расстояние между сеткой и катодом. Подставляя выражение (1.21) в уравнение

(1.19), произведя дважды интегрирование и используя начальные условия, что в момент вылета электрона из катода координата z=0, скорость v=0 и ускорение dv/dt=0, получим решение в виде

(1.22)

(1.23)

Уравнение (1.22) показывает, что координата электрона z зависит от момента вылета его из катода t1 . Различным моментам t1 соответствуют разные значения напряженности

поля, в котором начинает двигаться электрон.

Для наглядности движение электронов принято представлять с помощью

пространственно-временной диаграммы (рис. 1.4). Эта диаграмма изображает зависимость пути, проходимого электроном, от времени. Различные кривые соответствуют электронам, вылетевшим из катода в разные моменты времени t1 одного

периода напряжения, U c1 (t) , которое также показано на рис. 1.4. В следующем периоде

все кривые должны повториться.

Наклон кривых, построенных по формуле (1.22), определяет скорость электронов. По кривым можно также найти момент времени, когда электрон, вылетевший из катода в момент времени t\, достигнет сетки с координатой z = dc1−k .

Не все электроны пройдут через сетку. Электроны, начавшие движение от катода в различные моменты времени положительного полупериода, можно разделить на три группы. К первой группе относятся электроны, которые доходят до сетки, не изменяя направления движения. Электроны второй группы не долетают до сетки, поворачивают к катоду, но не попадают на него и, изменив еще раз направление движения, двигаются к сетке, вызывая увеличение длительности импульса конвекционного тока в пространстве сетка — анод. Электроны третьей группы возвращаются к катоду, увеличивают объемный заряд, поле которого препятствует движению других электронов от катода к сетке в следующий положительный полупериод напряжения. Увеличение длительности импульса

10

анодного тока по сравнению с длительностью импульса около сетки и рост объемного заряда в пространстве катод—сетка нежелательны, так как приводят к уменьшению первой гармоники конвекционного тока.

Условно режим работы лампы, при котором половина числа электронов, вылетевших из катода, пролетит через сетку и достигнет анода, называют критическим. Этому режиму на рис. 1.4 соответствует пунктирная прямая, для которой z/D ≈2,3. Подставляя в это условие z = dc1−k и используя выражение (1.23), можно найти при заданных dc1−k и

амплитуде напряжения на сетке U c1m критическое значение частоты сеточных ламп

(2.24)

Чем меньше расстояние между сеткой и катодом и чем больше амплитуда сеточного напряжения, тем выше частота, на которой может быть использована лампа.

11

§1.4. Особенности устройства и применения

Впредыдущих параграфах было рассмотрено влияние времени пролета на работу электронных ламп, но кроме этого следует учитывать влияние междуэлектродных емкостей, индуктивностей выводов и потери в элементах (изоляторах) на высоких частотах.

Междуэлектродные емкости лампы входят в колебательную систему СВЧ и снижают ее собственную частоту, ограничивая верхнюю рабочую частоту усилительной или генераторной схемы. Поэтому в лампах СВЧ принимаются меры к уменьшению междуэлектродных емкостей. Из индуктивностей наибольшее влияние оказывает индуктивность катодного вывода, которая, изменяя фазовые соотношения, приводит к увеличению активной составляющей входной проводимости.

Уменьшение углов пролета в лампах достигается уменьшением расстояния между электродами и повышением постоянных напряжений. Однако в первом случае, чтобы не происходило увеличение междуэлектродных емкостей, приходится одновременно уменьшать площадь электродов. Последнее сопровождается понижением максимальной мощности, рассеиваемой электродами, и полезной максимальной мощности лампы.

Для уменьшения индуктивностей выводов необходимо увеличивать поверхность металлических выводов катода, анода и сеток. Выводам придается форма, удобная для соединения с колебательной системой, т. е. с передающими линиями и резонаторами.

Для уменьшения диэлектрических потерь на СВЧ вместо стекла используют высокочастотную керамику.

На частотах до 500 МГц применяют миниатюрные и сверхминиатюрные лампы, а на более высоких—карандашные (рис. 1.5), маячковые (рис. 1.6) и металлокерамические лампы (рис. 1.7). Общей особенностью последних является применение выводов сетки и очень малые расстояния между электродами (до 0,1 мм). Карандашные триоды используют до частоты 3 ГГц, а металлокерамические—до 10 ГГц. Маячковые и металлокерамические лампы способны генерировать колебания с мощностью до нескольких ватт в непрерывном режиме и до единиц киловатт — в импульсном. На СВЧ используют металлокерамические лампы—нувисторы*, отличающиеся высокой надежностью, экономичностью и технологичностью изготовления. Мощные электронные лампы СВЧ имеют специальную конструкцию, которая обеспечивает рассеяния электродами большой мощности. В качестве примера можно привести специальный