книги из ГПНТБ / Брандт, А. А. Плазменные умножители частоты

Сигнал с выхода ответвителя подавался на вход резо­

рой, третьей и четвертой гармоник от величины постоян­ ной составляющей напряжения между электродами плазменного варактора,

Уменьшение напряжения U, как это следует из рис. 73 и рис. 75, должно приводить к увеличеию нели­ нейности, так как при Ui-+U параметр Л->-1. Из рис. 73 также следует, что с увеличением номера гармо­ ники уменьшается разница напряжений Ui и О, соот­ ветствующая области резкого возрастания тока гармо­ ники. Эта закономерность подтверждается при анализе графиков, приведенных на рис. 83. Некоторое уменьше­ ние мощности гармоник при Ui2 — 0 связано, вероятно, с влиянием параметров слоя около внешнего электрода, так как именно при таких напряжениях его емкость ми­ нимальна, а сопротивление максимально.

§ 5. Влияние рода газа на параметры варактора

Поскольку мощность, поглощенная внутри плазмен­ ного варактора при прохождении через него высокочас­ тотного излучения, является очень важной характерис­ тикой, определяющей его использование в умножителях частоты, мы приведем в этом параграфе результаты ис­ следования зависимости мощности потерь от рода и давления газа, заполняющего разрядную камеру. Эк­ сперименты были выполнены для шести различных га­ зов— ксенона, криптона, аргона, неона, гелия и воздуха при мощности излучения на входе варактора, изменяв­ шейся в пределах от нескольких ватт до 130 втв непре­ рывном режиме.

Поглощенная и идущая на образование плазмы мощ­ ность должна увеличиваться с увеличением потенциала ионизации газа и при увеличении частоты столкнове­ ний. Следовательно, увеличение давления газа должно приводить к увеличению поглощенной мощности,также как и переход на более легкий инертный газ, обладаю­ щий более высоким потенциалом ионизации.

§ 5J ВЛИЯНИЕ РОДА ГАЗА НА ПАРАМЕТРЫ ВАРАКТОРА 171

Если при увеличении входной мощности или при увеличении давления газа амплитуда колебаний элек­ тронов достигает величины, равной длине свободного пробега, то резко возрастает частота столкновений электронов и увеличивается мощность потерь. Одно­ временно должны возрастать концентрация и темпера­ тура электронов плазмы. Поведение параметров плаз­ мы и поглощенной в варакторе мощности существенно разное для случая больших и малых давлений. Напри­ мер, у ксенона при давлении 0,01 тор наблюдается мо­ нотонное увеличение мощности потерь с увеличением входной мощности, при этом концентрация тоже моно­ тонно возрастает, а температура электронов меняется мало, испытывая небольшие колебания около значения, близкого к 1,5 эв.

При повышении давления характер зависимостей меняется: появляется область резкого изменения пара­ метров. При давлении ксенона 0,02 тор при амплитуде

малых давлений. Поглощенная мощность после скачка почти вдвое превышает поглощенную мощность при малых давлениях.

Аналогичный характер кривых наблюдался и для дру­ гих инертных газов, причем скачки происходили при давлениях и амплитудах переменного напряжения, при­ веденных в таблице 20.

В случае воздуха также имеется область монотонного изменения мощности, поглощаемой плазмой, причем на­ пряжение, при котором происходит это изменение, умень­ шается с увеличением давления. Однако при скачке на­ блюдается замедление роста и даже уменьшение погло­ щаемой мощности.' Характер изменения температуры и концентрации плазмы волнообразный, что говорит, ве­ роятно, о малости давления (0,01—0,05 тор) и малости амплитуды колебаний по сравнению с длиной свободного пробега. Вследствие малости потенциала ионизации

легко, как и в ксеноне, в отличие от других более лег­ ких инертных газов.

Объяснение подобного хода зависимостей можно дать,

ронов при больших дав­ лениях и напряжениях.

Таким образом, находят объяснения факты скачкооб­ разного изменения мощности гармоники и напряжения холостого хода, приведенные в работе [37]. Становится понятным также появление эффекта насыщения мощно­ сти гармоники при увеличении входной мощности, отме­ чаемого рядом авторов. Этот эффект связан со значи­ тельным возрастанием мощности потерь при выполнении условий, указанных выше.

Избежать появления этого нежелательного эффекта можно путем уменьшения давления газа. Однако при уменьшении давления газа и уменьшения частоты столк­ новений электронов резко уменьшается концентрация плазмы СВЧ-разряда, что может привести к разрушению плазменного варактора, когда концентрация плазмы приблизится к критической для данной частоты гармони­ ки. Поэтому для плазменных умножителей частоты этот способ применим, если они работают в режиме больших входных мощностей и не очень высоких частот гармоник. Например, в умножителе на гармонику 800 Мгц (пкр= 5 - 10э см~3) при входной мощности до 130 вт и раз­ ряде в ксеноне при давлении 0,01 тор явления насыщения не наблюдалось, и при увеличении входной мощности эффективность преобразования асимптотически стреми­ лась к значению, близкому к 40% [109].

Следовательно, для создания плазмы с одинаковой кон­ центрацией требуется значительно большая мощность СВЧ-излучения для легких газов, чем для тяжелых. По этой причине наиболее выгодным с точки зрения потерь является наполнение разрядной камеры самым тяжелым инертным газом — ксеноном.

Приведенные выше соображения справедливы, если плазма в разряде формируется входным СВЧ-излучением. Такой способ создания плазмы наиболее прост и удобен, поскольку не требует применения дополнительных устройств, однако он не всегда позволяет получить плаз­ му с необходимой концентрацией. Особенно это оказы­ вается существенным при конструировании плазменных умножителей для генерации гармоник в миллиметровом диапазоне, когда концентрация плазмы должна превос­ ходить 1013—10й слг3. Отсутствие достаточно мощных (свыше 100 вт) и доступных непрерывных генераторов, первые гармоники которых лежат в миллиметровом диа­ пазоне, заставляет при конструировании плазменных умножителей этого диапазона принимать специальные меры, обеспечивающие максимальное значение концен­ трации: 1) применять системы, дающие наибольшую напряженность электрического СВЧ-поля (например, штыревые конструкции); 2) максимально уменьшать объем разряда для увеличения удельной мощности, вво­ димой в плазму, 3) работать при максимальном давле­ нии наполняющего газа в режиме, когда длина свобод­ ного пробега равна или даже меньше амплитуды коле­ баний электронов, 4) рассогласовывать систему для обеспечения устойчивого горения разряда и другие меры.

Такого рода меры, обеспечивающие максимальную концентрацию плазмы в разряде, приводят к сравнитель­ но низким значениям эффективности преобразования в миллиметровом диапазоне, поскольку условия настрой­ ки системы на максимальную концентрацию и макси­ мальную эффективность преобразования в гармонику обычно не совпадают. В связи с этим возникает необхо­ димость применения посторонних источников, создающих

щие результаты. Например, в работе [89] была получена генерация гармоник на частоте 1000 Ггц, а в работе [39] при входной мощности 0,4 вт обеспечивалась эффектив­ ность преобразования второй гармоники 31,7%.

На наш взгляд, наиболее перспективным является использование в плазменных умножителях термической цезиевой плазмы высокой концентрации с большой сте­ пенью ионизации и достаточно малой температурой электронов. Использование паров цезия низкого давле­ ния может обеспечить малые потери при работе в ре­ жиме высоких входных мощностей. Однако применение цезия сопровождается значительными трудностями кон­ структивного характера, поскольку, в отличие от инерт­ ных газов, цезий достаточно агрессивен. Перспективным может оказаться также использование разряда в парах ртути, или в парах щелочных металлов при низком дав­ лении.

§ 6. Влияние размеров варактора на эффективность преобразования

Поскольку эффективность преобразования плазмен­ ного умножителя частоты не достигает 100%, т. е. часть мощности излучения на основной частоте поглощается в плазменном варакторе, то при малых размерах и высо­ ком уровне входной мощности варактор может разру­ шиться из-за значительного количества энергии, которую ему приходится рассеивать. Разрушение может произой­ ти за счет перегрева и испарения металлических элект­ родов [19] или деформации герметизирующих соедине­ ний. Для уменьшения мощности, рассеиваемой единицей площади варактора, приходится увеличивать его разме­ ры, в частности длину. При размерах варактора, сравни­ мых с длиной волны генерируемой гармоники, нелиней­ ная емкость, описанная выше, представляет собой рас­ пределенный генератор и вклады различных участков варактора зависят от фазы приходящего в данную точку излучения гармоники.

Если на отрезке коаксиальной линии от 0 до / непре­ рывно и равномерно размещены генераторы частоты шсо с плотностью р- на единицу длины, то результирующее

где E(a) — амплитуды полей, генерируемых различными

сторону, причем полезной является только та часть мощ­ ности излучения на частоте гармоники, которая распро­ страняется по направлению к нагрузке, например в сто­ рону положительных значений х. Излучение же гармони­ ки, распространяющееся в обратную сторону, попадает в генератор основной частоты и частично поглощается

внем, а частично отражается обратно в тракт. Мы будем полагать, что излучение гармоники, распространяющееся

всторону генератора основной частоты, отражается без потерь с помощью некоторого элемента обратно по на­ правлению к нагрузке.

Предположим, что отражающий элемент, настроен­ ный на частоту гармоники и не влияющий на распростра­

отражении меняет фазу на противоположную, а ампли­ туды падающей и отраженной волн в случае идеального отражения равны. Поэтому результирующее поле

178 АНАЛИЗ РАБОТЫ ПЛАЗМЕННЫХ УМНОЖИТЕЛЕ!"! [ГЛ. III

генератора. В этом случае при расчетах необходимо учитывать различие амплитуд поля гармоники, генерируемой отдельными участками плазменного варактора. Для наилучшего ис­ пользования поля основной частоты положение варакто­ ра в линии должно подбираться так, чтобы максимум поля находился в центре варактора (рис. 54), т. е. в точ­ ке с координатой ,v=//2. В этом случае

а поле в любой точке липни при х>1 можно определить выражением

Е (х , t)= I*р£ sin у j + -y-j sin (mat + kx — ka) da=