
- •Введение
- •§ 1.2. Сеточные лампы СВЧ в режиме малых амплитуд
- •§ 1.3. Сеточные лампы СВЧ в режиме больших амплитуд
- •Глава 2 ПРОЛЕТНЫЕ КЛИСТРОНЫ
- •§ 2.2. Модуляция электронного потока по скорости
- •§ 2.3. Группирование электронов
- •§ 2.4. Отбор энергии от модулированного по плотности электронного потока
- •2.5 Параметры и характеристики двухрезонаторного пролетного клистрона
- •§ 2.6. Принцип работы многорезонаторного пролетного клистрона
- •Глава 3 ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ КЛИСТРОН
- •§ 3.1. Принцип работы
- •§ 3.3. Балансы фаз и мощностей
- •§ 3.4. Мощность и электронный КПД
- •§ 3.5. Электронная перестройка частоты
- •§ 3.6. Особенности устройства и параметры отражательных клистронов
- •Глава 4 ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ И ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ ТИПА О (ЛБВО, ЛОВО)
- •§ 4.1. Принцип работы приборов типа О с длительным взаимодействием
- •§ 4.2. Замедляющие системы
- •§ 4.3. Элементы линейной теории ЛБВО
- •§ 4.4. Параметры и характеристики ЛБВО
- •§ 4.5. Особенности устройства и применения ЛБВО
- •§ 4.6. Принцип работы усилительной ЛОВО
- •§ 4.7. Принцип работы генераторной ЛОВО
- •§ 4.8. Параметры и характеристики генераторных ЛОВО
- •Глава 5 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИБОРОВ ТИПА М
- •Глава 6 ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ И ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ ТИПА М (ЛБВМ И ЛОВМ)
- •§ 6.1. Принцип работы ЛБВМ
- •Глава 7 МНОГОРЕЗОНАТОРНЫЙ МАГНЕТРОН
- •§ 7.1. Статический режим работы магнетрона
- •§ 7.2. Свойства колебательной системы магнетрона
- •§ 7.4. Стабилизация рабочего вида колебаний
- •7.5. Параметры и характеристики многорезонаторного магнетрона
- •§7.6.Особенности устройства и применения многорезонаторных магнетронов
- •Глава 8 ПЛАТИНОТРОН (АМПЛИТРОН И СТАБИЛОТРОН)
- •§8.1.Принцип работы амплитрона
- •§ 8.3. Принцип работы стабилотрона
- •§ 9.1. Приборы с параметрическим усилением в электронном потоке
- •§ 9.2. Приборы с циклотронным резонансом
- •§ 9.3. Приборы с дифракционным излучением
- •Глава 10 ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫЕ ДИОДЫ (ЛПД)
- •§ 10.1. Лавинное умножение носителей
- •§ 10.3. Режим работы ЛПД с захваченной плазмой*
- •§ 11.1. Виды неустойчивости объемного заряда
- •§ 11.3. Режим ограниченного накопления объемного заряда и гибридные режимы
- •Глава 12 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КВАНТОВЫХ ПРИБОРОВ
- •§ 12.1. Квантовые переходы
- •Глава 13 КВАНТОВЫЕ ПАРАМАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ СВЧ (КПУ)
- •§ 13.2. Получение инверсии населенностей в парамагнитном веществе
- •13.4. Особенности устройства и применения КПУ
- •§ 14.1. Требования, предъявляемые к рабочей среде КСЧ
- •§ 14.2. Пассивные квантовые стандарты частоты
- •§ 14.3 Активные квантовые стандарты частоты
- •§ 15.1. Оптические резонаторы
- •§ 15.2. Условия самовозбуждения и мощность лазера
- •§ 15.3. Спектр излучения лазера
- •§ 15.5. Газовые лазеры
- •§ 15.6. Твердотельные лазеры
- •§ 15.8. Жидкостные лазеры
- •§ 15.9. Применения лазеров

7
§ 1.2. Сеточные лампы СВЧ в режиме малых амплитуд
Для рассмотрения особенностей работы сеточных ламп воспользуемся результатами, полученными в § 1.1.
Промежутки между электродами лампы (рис. 1.2) можно уподобить диодным промежуткам. Для каждого из них можно найти
среднее значение конвекционного тока, зависящее от времени пролета электронов в этом промежутке. Отличие от диода состоит в том, что начальная скорость электронов в каждом промежутке (кроме промежутка катод—управляющая сетка) не равна нулю. Время пролета в промежутках вследствие ускорения неодинаково: наибольшее в первом, наименьшее в последнем (у анода). Конвекционные токи промежутков с увеличением их номера все больше отстают от напряжения, поэтому средние значения конвекционных токов промежутков изображают веером векторов (рис. 1.3). Наведенный ток анода Iа.нав равен среднему конвекционному току промежутка IV (I конв.срIV
Iс.нав есть средний конвекционный ток промежутка I катод—управляющая сетка. Наведенные токи сеток будем изображать векторами, соединяющими вектора средних конвекционных токов соседних промежутков.
Рис. 1.3

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
формуле |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Rвх(ω)=1/(pSк ω2 τ2 к-с1) |
|
|
|
|
|
(1.18) |
где S |
k |
—крутизна катодно-сеточной характеристики (S |
k |
= |
∂Ik |
) τ |
л−с1 |
— время пролета |
|
||||||||
|
|
|
∂U c1 |
|
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
uc1(t) =Uc1m sinωt |
(1.20) |
Напряженность поля в промежутке катод—сетка при густой управляющей сетке определяется практически напряжением сетки, т. е.
E = |
vc1 (t) |
= |
U c1m |
sinω t |
(1.21) |
|
|
||||
|
dc1−k |
dc1−k |
|
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.
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.5 |
|
Рис. 1.6 |
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

12
лучевой тетрод - резнатрон. Анод лампы имеет камерную конструкцию и водяное охлаждение. Катод и сетки выполнены в виде системы стержней. Внутри стержней (трубок) экранирующей сетки течет охлаждающая вода. Элемент конструкции, соответствующий одному стержню катода, показан на рис. 1.8. В непрерывном режиме получена колебательная мощность до 60 кВт и КПД до 70% при длине волны λ =70—75 см и напряжении источника питания 10—16 кВ. В табл. 1 приведены сведения о параметрах некоторых электронных ламп СВЧ.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.7 |
|
Рис. 1.8 |
Т а б л и ц а 1
Параметры некоторых ламп СВЧ
Тип |
Конструкция |
лампы |
|
5С5Д |
|
Маячковый триод |
6С44Д |
Металлостеклянный |
|
|
|
триод |
5С36К Металлокерамиче- |
||
|
|
ский триод |
ГС-4В |
|
То же |
ГС-1 Б |
|
То же |
ГС-ЗБ |
Металлокерамиче- |
|
|
|
ский тетрод |
ГС-ЗА |
То же |
Расстояние катод-сетка, мм
0,1
0,12
0,012
0,04
0,70
0,70
0,70
Междуэлектродные |
|
|
|
см |
|||
емкости, пФ |
Анодное напряжениеВ |
Анодныйток, мА |
|
||||
Крутизна, мА/В |
Рабочаядлина волны, |
||||||
|
|
|
|||||
|
|
|
|||||
C c1.k |
C c 1 . a |
C ak |
|||||
|
|
|
|
||||
2,3 |
1,3 |
0,05 |
250 |
15,5 |
5 |
8,9 |
|
3,6 |
1,7 |
0,1 |
250 |
45,0 |
7,5 |
60,0 |
|
3,5 |
2,3 |
0,015 |
250 |
10,0 |
12 |
3,19 |
|
3,3 |
1,6 |
0,04 |
250 |
60,0 |
18 |
6,98 |
|
21,5 |
4,5 |
0,12 |
1700 |
700 |
30 |
30 |
|
30 |
20 |
0,04 |
1800 |
1900 |
30 |
30 |
|
30 |
20 |
0,04 |
1500 |
2000 |
40 |
60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Отдаваемая мощность, Вт
0,035
≥5
0,03
1,5 200
1000
2500.