Электронные приборы СВЧ. Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Оренбургский государственный университет»

М.Г. Петрушанский

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ

Учебное пособие

Рекомендовано ученым советом федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Оренбургский государственный университет» для обучающихся по образовательной программе высшего образования по направлению подготовки 11.03.03 Конструирование и технология электронных средств

Оренбург

2017

3

4

Введение

Предлагаемое учебное пособие посвящено рассмотрению вопросов физиче-

ских основ работы и устройства электронных приборов (ЭП) сверхвысоких частот

(СВЧ), генерирования излучения СВЧ диапазона и его применения в ряде важных областей науки и техники, а также биологического воздействия электромагнитных полей (ЭМП) на человеческий организм.

Как известно, микроволновый диапазон делится на три поддиапазона: деци-

метровые волны с длиной от 1 до 0,1 м (ультравысокие частоты от 0,3 до 3 ГГц),

сантиметровые волны с длиной от 10 до 1 см (сверхвысокие частоты от 3 до 30 ГГц)

и миллиметровые волны с длиной от 10 до 1 мм (крайне высокие частоты от 30 до

300 ГГц) [20].

Электромагнитные излучения (ЭМИ) этого диапазона обладают рядом осо-

бенностей и преимуществ по сравнению с излучениями других диапазонов. Это и большая информационная емкость каналов связи, и возможность направленной пе-

редачи и приема электромагнитной энергии, и прозрачность земной атмосферы для ЭМИ микроволнового диапазона (кроме нескольких полос поглощения в миллимет-

ровой части диапазона), и избирательность поглощения микроволнового излучения веществом. Благодаря этому ЭМИ рассматриваемого диапазона изучаются и ис-

пользуются в самых разных областях науки и техники: в радиолокации, в сотовых и глобальных спутниковых системах мобильной связи и позиционирования, в систе-

мах космической, ближней беспроводной и дальней радиорелейной и кабельной связи, в экспериментальной физике, радиоастрономии, метрологии, химии, биоло-

гии, медицине, энергетике и технологии.

В рассматриваемых в пособии ЭП энергия источников постоянного тока пре-

образуется в энергию СВЧ радиосигнала. Физические процессы в этих ЭП разнооб-

разны и в значительной мере определяются методами преобразования энергии дви-

жущихся в них носителей. По этому принципу ЭП можно классифицировать следу-

ющим образом [24]:

5

– приборы, в которых осуществляется преобразование энергии источников по-

стоянного тока в кинетическую энергию прямолинейно движущихся носителей за-

ряда и далее происходит преобразование этой энергии в энергию СВЧ излучения путем торможения носителей в поле этого излучения. Типичными представителями таких вакуумных активных элементов являются приборы О-типа, в которых исполь-

зуются резонансные (пролетные и отражательные клистроны и другие) и нерезо-

нансные (лампы бегущей волны (ЛБВ) и обратной волны (ЛОВ) О-типа) внешние цепи;

– приборы, в которых энергия источников постоянного тока преобразуется в кинетическую энергию вращательного движения электронов и далее путем тормо-

жения последних – в энергию СВЧ излучения. Активные элементы этого типа могут иметь как резонансные (гиромонотроны, гироклистроны), так и нерезонансные внешние цепи (гироЛБВ);

– приборы, характеризующиеся преобразованием в энергию СВЧ излучения кинетической энергии носителей заряда, движущихся через периодическую после-

довательность высоких потенциальных барьеров в кристаллической решетке (диоды Ганна и лавинно-пролетные диоды);

– приборы со скрещенными электрическим и магнитным полями, характер-

ным для которых является непрямолинейное движение носителей заряда и передача СВЧ излучению их потенциальной энергии при сохранении во время движения среднего значения кинетической энергии. Такие активные элементы называются приборами М-типа. В зависимости от внешних колебательных систем их можно подразделить на приборы с резонансными (магнетроны, платинотроны, митроны и другие) и с нерезонансными (ЛБВ и ЛОВ М-типа) цепями.

Для понимания материала учебного пособия обучающиеся должны иметь до-

статочные знания в области физики, материалов электронной техники, технической электродинамики, физических основ микроэлектроники. К каждому разделу даны вопросы для самопроверки, позволяющие оценить уровень подготовки по изучен-

ным темам. Освоение теоретических сведений о ЭП СВЧ полезно совместить с рас-

смотрением работы одного из известных пакетов компьютерных программ автома-

6

тизированного моделирования и проектирования СВЧ устройств, например, CST Studio Suite компании Computer Simulation Technology (http://eurointech.ru/eda/microwave_design/cst) или ADS компании Keysight Technologies Inc. (http://www.keysight.com).

Вопросы, рассмотренные в данном пособии, входят в рабочую программу дисциплины «Электронные приборы» для направления подготовки 11.03.03 Кон-

струирование и технология электронных средств.

7

1 Пролетные клистроны

1.1Физические основы работы пролетных клистронов

Воснову работы ЭП со свободным дрейфовым пространством положен прин-

цип преобразования в энергию радиосигнала кинетической энергии прямолинейно движущихся носителей. Группирование движущихся электронов в пакеты для уси-

ления радиосигнала осуществляется за счет управления скоростью дрейфа элек-

тронного потока. Взаимодействие электронов с полем радиосигнала в этих приборах очень кратковременно по сравнению с его периодом и происходит на нескольких сравнительно небольших участках пути электронного потока. Группирование же электронов в пакеты в таких ЭП осуществляется на большей части пути электронно-

го потока в дрейфовом пространстве, где нет поля радиосигнала. Из генераторов на таких ЭП наиболее широкое распространение получили генераторы на пролетных клистронах, поэтому дальнейший материал изложен применительно к этому типу ЭП. В литературе их часто называют приборами О-типа [10].

Схематическое изображение клистрона с двумя областями взаимодействия и одним пролетным пространством приведено на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Схема клистрона с одним пролетным пространством

8

Электронная пушка 1 создает равномерный пучок электронов, который уско-

ряется потенциалом E0 и последовательно проходит через первую область взаимо-

действия (емкостный зазор тороидального резонатора 2), дрейфовое пространство 3

длиной l и второе пространство взаимодействия (емкостный зазор второго резона-

тора 4). После этого электронный пучок попадает на коллектор 5.

Скорость дрейфа v0 электронов, ускоренных напряжением питания E0 , перед

где e – заряд электрона; m – масса электрона.

В первый (входной) резонатор 2 подается усиливаемый радиосигнал от внеш-

него источника. Соответственно на емкостном зазоре этого резонатора возникает высокочастотное напряжение радиосигнала, которое складывается с напряжением питания, в результате чего электроны, пролетающие емкостный зазор первого резо-

натора, будут ускоряться под действием суммарного напряжения

где t – момент времени пролета электроном емкостного зазора первого резонатора;

U1 – амплитуда первой гармоники радиосигнала на емкостном зазоре первого ре-

зонатора;

– частота радиосигнала.

Из (1.2) видно, что напряжение радиосигнала в течение положительных полу-

периодов вызывает дополнительное к E0 ускорение электронов в пучке, а в течение отрицательных – их торможение. Таким образом, в дрейфовое пространство 3 элек-

троны пучка попадают с различными скоростями, зависящими от времени пролета

9

ими емкостного зазора первого резонатора t . С учетом (1.1) и (1.2) эти скорости v(t)

определяются соотношением:

Выражение (1.3) можно трактовать как временной закон модуляции скорости электронов пучка перед попаданием в дрейфовое пространство.

В пространстве дрейфа в идеале электроны летят по инерции, так как находят-

ся в поле одинакового потенциала, вследствие чего электроны, получившие доба-

вочное ускорение в первом резонаторе, будут догонять более медленные. В резуль-

тате пролета дрейфового пространства равномерный по плотности на его входе пу-

чок электронов превращается на его выходе в поток, состоящий из ряда пакетов. Ва-

риация скорости электронов на входе в дрейфовое пространство превращается на выходе из него в вариацию электронного потока по плотности. Электронные слои,

получившие дополнительное ускорение от поля радиосигнала, движутся быстрее, и

поэтому время пролета ими дрейфового пространства будет меньше, чем среднее

определяемое только E0 . Для электронов, замедленных полем радиосигнала, время пролета дрейфового пространства по сравнению со средним tn0 увеличится.

Возникшие пакеты электронов при пролете емкостного зазора второго выход-

ного резонатора 4 наводят на электродах переменное поле радиосигнала. Это поле будет тормозящим для сгустков электронов и ускоряющим, когда через зазор про-

ходят разреженные части электронного потока. Такая фаза сигнала во втором резо-

наторе устанавливается автоматически при его настройке в резонанс на частоту ра-

диосигнала, что следует из принципа требования минимума потенциальной энергии

10