книги из ГПНТБ / Кацман, Ю. А. Электронные и квантовые приборы сверхвысоких частот учебное пособие

Для диода на сверхвысоких частотах закон степени 3/2

с управлением током при помощи электростатического воз­ действия потенциала управляющей сетки на объемный заряд у катода, имеют место явления, затрудняющие нормальную работу ламп. Они сводятся к уменьшению входного актив­ ного сопротивления лампы и переходу крутизны статической характеристики в величину комплексную. Ее модуль падает при увеличении частоты, а фазовый угол увеличивается (определяется отставанием анодного тока от сеточного потен­ циала) и может вызывать падение КПД при использовании лампы в качестве генератора с самовозбуждением.

Для удобства анализа процессов в многосеточной лампе можно представить пространство между двумя соседними электродами в виде эквивалентного диода. Если границей та­ кого диода является сетка, то она должна быть заменена сплошной проводящей поверхностью с действующим потен­ циалом, величина которого определяется таким же методом, что и для низкочастотных радиоламп.

Входная активная проводимость и комплексная крутизна определяются значениями постоянной составляющей угла про­ лета между электродами ламп £ = огг0.

Считая движение электронов в эквивалентном диоде равномерно ускоренным, можно для времени пролета запи­

где х — расстояние между электродами (для плоской кон­ струкции) ;

ун — начальная скорость электронов; vK— конечная скорость .электронов.

Собственные поля электронов снижают скорости электро­ нов в прикатодной области (где наибольшая плотность объем­ ного заряда); это приводит примерно к 1,5-кратному увели­ чению времени пролета для первого эквивалентного диода, и для него же можно принять ин=0. Тогда для времени пролета с учетом сделанных замечаний найдем

где t/д — действующий потенциал в плоскости первой сетки.

10

Как правило, скорость электронов увеличивается по мере движения электрона от катода к аноду. Поэтому время про­ лета для первого эквивалентного диода больше, чем для всех последующих

ХKgl ^ Vlg-2 ^ • • •

(где приняты обозначения: к — катод, g 1 — первая сетка, g 2 — вторая, сетка и т. д.).

Если на сетку gT подано отрицательное смещение, то на низких частотах сеточного тока за счет перехвата электронов витками сетки не будет, а величина электронного тока на

В цепи gl протекает только ем­ костный ток, и активная состав­ ляющая входной проводимости равна нулю. Это происходит бла­ годаря малым величинам углов пролета ^Kg\ и

На высоких частотах увеличивается реактивная состав­ ляющая тока цепи gl и появляется активная составляю­ щая тока, так как наводимые на сетке токи не компенсируют друг друга.

На рис. 3 приведена векторная диаграмма токов в цепи gl. За счет инерционности электронов наведенный ток элект­

находится в противофазе по отношению к току Г х.

Ток Igl является векторной суммой Г х и /", и имеет

активную составляющую IagX.

Появление активной составляющей проводимости во вход­ ной цепи лампы при отсутствии электронного тока на сетку является важной особенностью работы усилительной лампы на СВЧ.

Физическая трактовка этого явления может быть следую­ щей.

11

Пребольшом угле пролета t,Kgл электроны, вышедшие из прикатодной области в тот момент, когда на сетке был поло­ жительный полупериод Ugl, могут пройти сетку при смене знака потенциала Ugl и двигаться на участке g l—g2 в уско­ ряющем поле, т. е. снова отбирать энергию от источника входной СВЧ мощности.

При таком режиме работы электроны, вышедшие из при­ катодной области в отрицательный полупериод UgU будут отдавать энергию и на участке к—г?1 и на g l—g2, но их бу­ дет меньше, чем электронов, вышедших из прикатодной обла­ сти при положительном полупериоде Ugl.

Следовательно, в целом электроны будут отбирать энер­ гию от источника СВЧ колебаний во входной сеточной цепи, т. е. будет определенная активная входная проводимость при. отсутствии попадания электронов на сетку.

Расчетвеличины активной проводимости можно произво­

Величина входной активной проводимости может значи­ тельно увеличиваться благодаря влиянию катодного вывода. На рис. 5 показана эквивалентная схема, иллюстрирующая

циала внутри лампы и на сопротивлении /a>LK. Внутри лампы сопротивление образуется из параллельного соединения вход­

12

ной активной проводимости g и динамического значения входной емкости лампы CKgV

Как видно из схемы, индуктивность катодного вывода представляет собой общее сопротивление для цепи управляю­ щей сетки и всех других электродов. Таким образом, созда­ ется отрицательная обратная связь, при которой потенциал подается в цепь управляющей сетки в противофазе, увеличи­ вая ее потери. Это можно рассматривать как рост входной ак­ тивной проводимости.

На сверхвысокой частоте крутизна становится комплекс­ ной величиной. Комплексную, крутизну лампы можно опре­ делить как отношение тока в анодной цепи / а к переменному

Величина модуля Ms дает отношение амплитуды анодного тока к амплитуде сеточного напряжения, а фазовый угол t|)s равен по величине разности фаз анодного тока и сеточного потенциала.

Для приближенных расчетов можно принять при £а о<я/2

Такое приближение соответствует, например, случаю луче­ вого тетрода. Коэффициент т показывает усреднение элект­ ронного тока по зазору экранирующая сетка — анод, произво­ димое при расчете наведенного тока в анодной цепи при не­ изменной постоянной скорости электронов. При £а о-*-0 получа­ ется наибольшее значение модуля крутизны. По мере роста £а0 возникает нестационарный режим токопрохождения. В разных слоях зазора экранирующая сетка — анод величина электронного тока начинает при этом существенно различать­ ся и усреднение по зазору, определяющее наведенный ток, бу­ дет давать все меньшее значение т. Этот результат следует непосредственно из (1.9), где значение tn дается как отноше­ ние синуса половины угла пролета £ао к его аргументу. Так как коэффициент т определяет ток анодной цепи, то его мож­

13

но назвать коэффициентом связи электронного потока с резо­ натором, выполненным в лучевом тетроде между анодом и экранирующей сеткой.

При использовании лампы в схемах генераторов с само­ возбуждением обратная связь конструируется так, чтобы анод­ ный ток, протекая через выходной контур, создавал на нем разность потенциалов, совпадающую по'фазе с имевшейся ра­

методом, предложенным советским ученым М. С. Нейманом, заключающимся в таком выполнении обратной связи, при котором фазовый угол внутри лампы компенсируется сдвигом по фазе вне лампы, и анодный ток, поступая в выходной кон­ тур, совпадает по фазе с потенциалом на нем. Одним из вари­ антов выполнения этого может быть расстройка сеточного контура относительно генерируемой частоты. -

Выше была рассмотрена работа ламп в схеме с общим катодом. Между тем для работы электронных ламп на СВЧ большое значение имеет применение схемы с общей сеткой,

индуктивность и емкость сеточного контура, La и Са — индук­ тивность и емкость выходного контура, а емкости Cl, С2, СЗ и дроссели Др1 и Др2 обеспечивают необходимое разделение переменных и постоянных составляющих токов.

Как видно из схемы, заземление по высокой частоте при­ соединенного к сетке экрана (через емкость С2) позволяет получить экранировку выходного контура от входного и пре­ вращает триод в лампу с экранирующей сеткой. В такой лам­

14

пе проходной оказывается емкость катод— анод. При доста­ точно густой сетке триода можно получить малую проходную емкость и обеспечить устойчивую работу лампы.

В дециметровом и сантиметровом диапазонах использу­ ются специальные конструкции ламп с дисковыми впаями. При этом применяются объемные резонаторы, один из кото­ рых включается между катодом и сеткой, а второй — между сеткой и анодом, и тогда внешний присоединенный к сетке и заземленный по высокой частоте экран, разделяющий вход­ ной и выходной контуры, оказывается ненужным.

Включение лампы по схеме с общей сеткой позволяет уменьшить активную входную проводимость. Объяснение можно дать исходя из рассмотрения обратной связи, обуслов­ ленной тем, что анодный ток лампы замыкается на сеточную цепь. При отсутствии запаздывания этого тока по отношению к сеточному напряжению обратная связь нагружает сеточную цепь, что и имеет место на обычных частотах. В диапазоне сверхвысоких частот имеется значительное запаздывание анодного тока по сравнению с сеточным напряжением, обрат­ ная связь оказывается положительной и уменьшает потери

всеточной цепи.

§1.3. Особенности конструкций и параметры ламп. Для

обеспечения больших величин усиления лампа должна иметь большие величины крутизны, входного и выходного сопротив­ ления и малую проходную проводимость.

В диапазоне СВЧ для этого следует так конструировать

а изоляторами должны быть диэлектрики с малыми диэлек­ трическими потерями.

Как уже говорилось выше, для обеспечения роста вели­ чины крутизны необходимо уменьшать расстояние катод — сетка. Но уменьшение междуэлектродных расстояний ограни­ чено одновременным увеличением емкостей между электро­ дами. Действительно, использование электронной лампы на сверхвысоких частотах определяется не только особенностями процессов в электронном потоке, но и тем фактом, что емко­ сти между электродами, индуктивности и активные сопротив­ ления их выводов входят в резонансные колебательные си­ стемы, подключаемые к лампе. В результате генерирование предельно высокой частоты и ее эффективное усиление будут ограничены величинами междуэлектродных емкостей и индук­ тивностей вводов. Поэтому одновременно с уменьшением рас­ стояний между электродами необходимо для уменьшения междуэлектродных емкостей уменьшать поверхность электро­

15

дов. Последнее существенным образом влияет на возможность конструирования мощных ламп с электростатическим управ­ лением для непрерывного'режима. Однако при импульсном режиме с малым коэффициентом заполнения использование ламп возможно для получения весьма значительных колеба­ тельных мощностей.

Уменьшение междуэлектродных расстояний и емкостей не снижает вредного влияния индуктивностей и активных сопро­ тивлений выводов электродов. Поэтому у СВЧ ламп выводы заменены развернутыми проводящими поверхностями, поз­ воляющими включать лампу непосредственно в объемные резонаторы и сводить к мини­ муму величины индуктивно­ стей и активных сопротивле­

ний выводов.

При усовершенствовании СВЧ ламп стекло, используе­ мое в качестве изолирующих элементов колбы, заменили специальной высокочастотной керамикой с малыми потеря­ ми. Это значительно повысило возможности нагрузки элект­ родов ламп.

К специально сконструированным для работы в схемах СВЧ диапазона лампам относятся маячковые, карандашные, металлокерамические и резнатроны.

В виде примера рассмотрим маячковую лампу, в конст­ рукции которой нашли отражение все специфические для СВЧ диапазона конструктивные особенности (рис. 7), где 1 и

Рабочие зазоры между катодом, сеткой и анодом образованы плоскими электродами. Все выводы сделаны в виде дисков, которые изолированы друг от друга стеклянными цилиндра­ ми. Стеклянные цилиндры — изоляторы образуют баллон лам­ пы. Диски выступают за стенки баллона, образуя своими вы­ ступами кольцеобразные контактные вводы этих электродов. Лампа может быть непосредственно вставлена в коаксиаль­ ную линию или связана с полыми резонаторами.

Основной особенностью всех ламп СВЧ диапазона явля­ ется малый зазор между катодом и сеткой. У маячковых ламп этот зазор делают меньше 0,1 мм.

16

Кроме маячковых ламп, разработаны аналогичные им ка­ рандашные лампы, у которых электроды цилиндрической фор­ мы. Маячковые и карандашные лампы в непрерывном режиме в зависимости от рабочей частоты могут генерировать мощно­ сти от долей ватта до нескольких ватт и соответственно в им­ пульсном режиме до единиц киловатт.

Как уже указывалось, значительное повышение отдавае­ мой колебательной мощности возможно при использовании в качестве изолирующих элементов вместо стекла специаль­ ной керамики, как это сделано в так называемых металло­ керамических лампах.

Наиболее мощными приборами являются лучевые тетроды, получившие название резнатронов, которые обеспечивают колебательную мощность в десятки киловатт в непрерывном

режиме.

Все перечисленные приборы обычно используются в диа­ пазоне от единиц сантиметров до одного метра при макси­ мальном КПД порядка 70% и при относительно небольшом уровне шумов.

К основным достоинствам ламп с электростатическим управлением электронным потоком следует отнести: неболь­ шие величины анодных потенциалов, простоту конструкций и небольшую зависимость частоты генерируемых колебаний и отдаваемой СВЧ мощности от изменений питающих потен­ циалов и сопротивления нагрузки.

Глава 2

Приборы с динамическим управлением электронным потоком О-типа

Приборы, в которых конечное время пролета электронов не только не является отрицательным фактором, но даже, на­ оборот, используется для преобразования скоростной модуля­ ции в модуляцию электронов по плотности, получили назва­ ние приборов с д и н а м и ч е с к и м у п р а в л е н и е м . В при­ борах О-типа используется для фокусировки электронных по­ токов продольное (направленное вдоль электронного потока)

магнитное поле.

§ 2.1. Пролетный клистрон. В клистронах взаимодействие электронов с СВЧ полем происходит в зазорах объемных ре­ зонаторов, где сосредоточено электрическое СВЧ поле.

модуляцию. Она заключается в том, что часть электронов, проходящих СВЧ поле в ускоряющий полупериод, получает увеличение скорости, а часть электронов, проходящих то же поле в тормозящий полупериод, получает уменьшение скоро­ сти по сравнению с постоянной, достигнутой за счет ускоряю­ щего поля, создаваемого потенциалом источника питания. Дальнейшее движение скоростно-модулированного электрон­ ного потока в пространстве без поля СВЧ — так называемый дрейф потока, ведет к смещению одних зарядов по отноше­ нию к другим.

Замедленные электроны отстают, а ускоренные их догоня­ ют. В результате образуются электронные уплотнения, т. е_ постоянный по плотности вначале электронный поток полу­ чает переменную составляющую.

Если на пути электронных уплотнений поставить объемный резонатор таким образом, чтобы электронный поток проходил через зазор, где сконцентрировано электрическое поле, то электронные уплотнения будут наводить токи в объемном ре­ зонаторе, а поле в зазоре будет тормозить электронные уплот­ нения (и ускорять электроны между уплотнениями, но таких будет значительно меньше, чем в уплотнениях). Поэтому бу­ дет передаваться мощность от электронного потока СВЧ полю объемного резонатора. Другими словами, при торможе­ нии большинства электронов (и ускорении очень небольшого количества электронов) электронный поток теряет значитель­ ную часть кинетической энергии, которую приобрел от источ­ ника постоянного анодного потенциала. Эта передаваемая второму резонатору энергия значительно превосходит вход­ ную СВЧ мощность, подаваемую от постороннего источника

входят электронная пушка 1, коллектор 5 и система фокуси­ ровки электронного потока. Фокусировка электронного потока необходима, так как одинаково заряженные по знаку элект­ роны взаимно расталкиваются и в пространстве без фокуси­ рующих полей быстро осели бы на стенки пролетных труб. Система фокусировки (на рисунке не приведена) обычно вы­ полняется в виде постоянных магнитов или в виде электро­ статических линз.

18

Изложенные выше физические процессы модуляции и группирования можно пояснить с помощью так называемой пространственно-временной диаграммы (рис. 8,6). Эта диа­ грамма отражает движение электронов в зависимости от вре­ мени. Рассмотрим движение слоев электронного потока от входного до выходного резонаторов, которые проходят через зазор входного резонатора последовательно друг за другом

Рис. 8

через четверть периода колебаний усиливаемого СВЧ сиг­ нала. График временной зависимости переменной разности по­ тенциалов на зазоре входного резонатора приведен под пространственно-временной диаграммой.

На рис. 8,6 показано движение девяти слоев электронов, из которых 1, 3, 5, 7 и 9-й обладают переменной скоростью, равной нулю, и поэтому перемещаются равномерно с посто­ янной скоростью v0. И х движение на диаграмме определяется параллельными прямыми линиями с углом наклона, задавае­ мым величиной v0 (пунктирные линии). Слои 4-й и 8-й со­ ответствуют ускоренным электронам, поэтому перемещаются быстрее слоев 3-го и 7-го и при движении приближаются к последним. Слои 2-й и 6-й соответствуют замедленным элек­