Электронные приборы СВЧ. Учебное пособие

основание, расположена на стенке корпуса лампы. Для фокусировки электронного потока используется магнитная фокусирующая система из плоских прямоугольных магнитов, расположенных с обеих сторон на внешних стенках корпуса лампы.

ЛБВ с плоскими замедляющими системами используются в дециметровом и нижней части сантиметрового диапазона длин волн с уровнями мощности от 100 до

500 Вт. Такие ЛБВ технологичны и дешевы в производстве, особенно при массовом выпуске. Они могут обеспечить высокие коэффициенты усиления, КПД и широкие рабочие диапазоны частот. Недостатком их является малый срок службы вследствие запыления печатных замедляющих систем продуктами с катода, поэтому наиболее широко они используются в качестве приборов разового применения.

Для предотвращения самовозбуждения ЛБВ из-за обратной волны, отражен-

ной от выходного разъема, в замедляющей системе размещают локальный поглоти-

тель, с помощью которого уменьшается обратная связь при отражении сигнала от выхода замедляющей системы. Для этого необходимо, чтобы локальный поглоти-

тель вносил в отраженный сигнал ослабление, превышающее коэффициент усиле-

ния. Естественно, что при этом ослабляется прямой сигнал, распространяющийся от входа к выходу ЛБВ. Схема ЛБВ и распределение амплитуды сигнала вдоль замед-

ляющей системы показаны на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 – Схема ЛБВ и распределение амплитуды сигнала

41

Локальный поглотитель обычно размещается в средней части замедляющей системы, ближе к входу. На входном участке замедляющей системы до поглотителя образуются электронные сгустки, движущиеся вместе с бегущей волной. Участок поглотителя сгустки проходят почти не расфокусировавшись. За поглотителем сгустки интенсивно наводят высокочастотное поле в выходной части замедляющей системы. В результате ослабление прямого сигнала составляет всего от 3 до 5 дБ.

Обратная волна, распространяющаяся от выходного разъема замедляющей системы,

поглощается раньше, чем она успеет эффективно промодулировать встречный элек-

тронный поток по скорости. Иногда замедляющую систему выполняют двухсекци-

онной с поглотителем в каждой секции.

Одним из способов повышения КПД ЛБВ является рекуперация. В ЛБВ также используется несколько источников питания, подключенных к замедляющей систе-

ме и нескольким секциям коллектора. Последовательное понижение потенциала секций коллектора приводит к тому, что медленные электроны оседают на первых секциях с высоким напряжением, а быстрые – на дальних секциях, где напряжение питания меньше, а значит, и меньше выделяемая ими на коллекторе мощность. Ва-

рианты конструкций коллектора довольно разнообразны.

Другим путем повышения КПД ЛБВ является последовательное уменьшение фазовой скорости волны радиосигнала, бегущей вдоль замедляющей системы.

Уменьшение скорости волны необходимо для поддержания синхронизма движения электронных сгустков с полем. Закон изменения фазовой скорости выбирается та-

ким, чтобы электроны, отдающие свою кинетическую энергию полю и теряющие скорость, оставались в замедляющей фазе поля радиосигнала на протяжении всего пути вдоль замедляющей системы. Такие ЛБВ называются изохронными.

На рисунке 3.9 показана замедляющая система с переменным шагом и закон изменения фазовой скорости волны радиосигнала вдоль замедляющей системы.

42

тельные рабочие полосы частот – в пределах от 1,0 до 0,1. Выпускаются маломощ-

ные и малошумящие ЛБВ.

Кроме ЛБВМ выпускаются ЛОВМ, конструкция которых отличается тем, что в них используют обратноволновую замедляющую систему, а поглотитель распола-

гается на месте коллектора. В мощных ЛОВМ поглотитель может быть расположен вне вакуумной части лампы в виде согласованной нагрузки, подключенной к соот-

ветствующим выводам замедляющей системы [15].

Выходная мощность ЛОВ типа М, в отличие от ЛОВ типа О (ЛОВО), достига-

ет 1 кВт в дециметровом диапазоне при КПД до 50 %. В нижней части сантиметро-

вого диапазона уровни выходной мощности ЛОВМ достигают нескольких сотен ватт при КПД от 25 % до 35 %. Диапазон электронной перестройки частоты автоге-

нераторов на ЛОВМ находится в пределах от 20 % до 30 % от центральной частоты.

ЛБВМ и ЛОВМ широко используют в станциях космической связи и системах радиопротиводействия.

3.4 Вопросы для самопроверки к третьему разделу

3.4.1На какие типы приборов разделяют ЛБВ и ЛОВ в зависимости от типа замедляющей системы?

3.4.2В чем отличие приборов О-типа от приборов М-типа?

3.4.3Из каких конструктивных элементов состоит ЛБВМ?

3.4.4При выполнении каких условий электроны в ЛБВМ будут двигаться по прямолинейной траектории?

3.4.5Под действием какой компоненты электрического поля радиосигнала,

распространяющегося по замедляющей системе, группируются электроны в ЛБВМ?

3.4.6За счет чего в приборах типа М непрерывно восстанавливаются потери кинетической энергии электронами в тормозящей фазе высокочастотного поля?

3.4.7Каким выражением определяется предельное значение КПД для ЛБВМ?

3.4.8Перечислите недостатки замедляющих систем в виде спирали для мощ-

ных ЛБВ?

44

3.4.9 Замедляющие системы каких конструкций обычно используют в мощ-

ных ЛБВ?

3.4.10 Каким образом предотвращают самовозбуждение ЛБВ из-за обратной волны, отраженной от выходного разъема?

45

4 Диоды Ганна

4.1 Общие сведения об эффекте Ганна

В 1963 году Джон Ганн обнаружил, что если приложить постоянное электри-

ческое поле с напряженностью E0 , большей некоторого порогового значения Eпор ,

к арсениду галлия GaAs или фосфиду индия InP n-типа, то наблюдаются спонтанные периодические колебания тока, протекающего через образцы. Этот эффект был назван эффектом Ганна [24]. Для GaAs Eпор 3кВ/ см , для InP Eпор 6кВ / см . Пе-

риод колебаний t0 приблизительно равен времени пролета электронов от катода к аноду (к катоду прикладывается минус, а к аноду – плюс постоянного напряжения):

лежит в СВЧ диапазоне. Более подробные исследования показали, что в полупро-

водниковых образцах с N-образной вольт-амперной характеристикой (ВАХ), в кото-

рых ток убывает с ростом напряженности поля при E0 Eпор , при таких значениях напряженности в образце периодически возникает область сильного электрического поля размером от 1/10 до 1/130 длины образца, которую называют электростатиче-

ским доменом. Этот домен дрейфует от катода к аноду со скоростью около 107 см/с

и исчезает у анода. При формировании домена ток через образец падает, а при ис-

чезновении домена вновь возрастает до порогового значения.

46

только для GaAs, хотя аналогичные эффекты наблюдаются в целом ряде полупро-

водниковых соединений типа Аш Вv.

В настоящее время ведутся интенсивные исследования по созданию диодов Ганна на фосфиде индия, а диоды Ганна из арсенида галлия уже широко использу-

ются при разработке СВЧ генераторов, усилителей, аналоговых и оптоэлектронных устройств, а также быстродействующих логических схем.

4.2 Физические основы эффекта Ганна

Физические процессы в твердотельных ЭП с группированием электронов го-

раздо сложнее и многообразнее, чем в вакуумных [23]. Для пояснения некоторых механизмов генерации колебаний в твердом теле рассмотрим зонную модель твер-

дого тела.

На электроны в твердом теле, помимо внешнего электрического поля, оказы-

вает сильное влияние периодическое электрическое поле кристаллической решетки.

Движение электрона в твердом теле описывается волновой функцией, произведение которой на комплексно-сопряженную величину определяет вероятность нахождения электрона в точке. Электроны в периодическом потенциале кристаллической решет-

ки могут иметь не любые, а только разрешенные значения энергий (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 – Разрешенные значения энергий электронов в периодическом потенци-

але кристаллической решетки

48

В молекулах значения энергий, лежащие внутри заштрихованных на рисунке разрешенных зон (так называемых зон Бриллюэна), из-за взаимодействия атомов разбиваются на ряд дискретных уровней. В кристаллических телах взаимодействие атомов столь велико, что разрешенные зоны энергий оказываются практически сплошными, состоящими из большого числа близко расположенных уровней, каж-

дый из которых, согласно принципу Паули, могут занимать только два электрона с противоположными спинами.

Втвердом теле зоны разрешенных уровней энергии для электрона чередуются

сзапрещенными зонами, значения энергий в которых для электронов недоступны.

Чтобы перейти из одной разрешенной зоны в другую, электрону необходимо полу-

чить энергию, не меньшую ширины запрещенной зоны. При изменении внешнего поля ширина разрешенных и запрещенных зон энергий электрона могут изменяться,

что облегчает переход электронов из зоны в зону.

Чтобы разместить по энергиям все электроны в твердом теле, необходимо ими заполнить все допустимые состояния вплоть до самых высоких из разрешенных уровней энергии. Энергетический уровень, вплоть до которого заполнены все энер-

гетические состояния в атоме, называется уровнем Ферми. Полностью заполненные зоны разрешенных уровней энергии называются валентными. Если одна из зон за-

полнена не полностью, она называется зоной проводимости. В проводниках уровень Ферми расположен внутри одной из разрешенных энергетических зон, которая, та-

ким образом, является зоной проводимости и заполнена лишь частично. Находящи-

еся в ней электроны могут под влиянием тепловых процессов или внешнего элек-

трического поля изменять свои уровни, то есть являются свободными. Дрейфовать в твердом теле под влиянием внешнего электрического поля в нормальных условиях могут только электроны, находящиеся в зоне проводимости, так как они способны под действием поля переходить на более высокие, чем уровень Ферми, разрешенные уровни в зоне проводимости, что эквивалентно покиданию атома.

В диэлектриках уровень Ферми совпадает с верхней границей одной из раз-

решенных зон, поэтому все зоны заполнены полностью и свободные носители заря-

да отсутствуют. В полупроводниках ширина запрещенной зоны между последней

49

валентной зоной и зоной проводимости мала и электроны могут преодолевать этот потенциальный барьер за счет теплового либо электрического возбуждения.

Электрон, движущийся в твердом теле, для удобства анализа характеризуют подвижностью и эффективной массой mэф .

Подвижность – это отношение скорости дрейфа носителей к напряженно-

сти электрического поля, вызвавшего этот дрейф. Эффективная масса mэф характе-

ризует движение электрона в периодическом поле кристаллической решетки, как если бы он двигался в свободном пространстве. Понятие эффективной массы явля-

ется условным. Для свободного электрона она совпадает с массой покоя m , для электрона, движущегося в периодическом поле решетки, значение mэф может суще-

В выражении (4.4) суммирование ведется по всем видам свободных носителей заряда и всем энергетическим уровням свободных электронов. Эта формула будет справедлива и тогда, когда электрический ток обеспечивается только одним из ви-

дов свободных носителей заряда: только электронами или только дырками. Для упрощения изложения далее будут рассматриваться электроны.

50