Лекция 4. СВЧ.

4.1. Свч триод.

После сделанного в предыдущих лекциях введения в СВЧ электронику приступим к рассмотрению некоторых важнейших идей создания СВЧ устройств.

На ранней стадии развития СВЧ электроники наиболее естественной казалась попытка приспособить приборы с сеточным управлением, хорошо зарекомендовавшие себя на низких частотах, для использования на высоких частотах. В предвоенные годы (1938-41гг) были созданы и успешно испытаны первые усилительные СВЧ триоды. Их создание связано с именем Н.Д. Девяткова. Типичная конструкция СВЧ триода c общей сеткой показана на рис.4.1. Существуют и другие схемы включения, но они реже используются для получения больших мощностей и мы не будем их рассматривать. Наиболее

Рис.4.1.

существенной особенностью СВЧ триодов являются два полых резонатора, катодно-сеточный и анодно-сеточный. Триод эксплуатируется, обычно, в режиме ограничения тока пространственным зарядом. Для подачи постоянных напряжений на анод и катод (а в случае

необходимости, и на сетку) в резонаторах создаются разрывы по постоянному напряжению. При этом емкости между электродами, образующими щель, настолько велики, что по высокой частоте между ними практически короткое замыкание. Существуют разные конструктивные соединения резонаторов с элементами триода. Один из вариантов - подсоединение резонаторов к дисковым выводам из вакуумного объема. При другом варианте резонаторы являются частью вакуумной оболочки.

Входной сигнал подается, например, по коаксиальной линии в катодно-сеточный резонатор и создает ВЧ поле в зазоре сетка-катод. Снимается сигнал из анодно-сеточного резонатора. Если постоянное напряжение между катодом и сеткой отсутствует или мало по сравнению с амплитудой переменного напряжения в этом зазоре, поток электронов с катода поступает в анодный резонатор только в положительные полупериоды СВЧ напряжения на сетке относительно катода U_кс. Если одновременно достаточно мал угол пролета электронов в зазоре катод – сетка, движение электронов в этом зазоре определяется амплитудой СВЧ поля в момент, когда электроны пересекают зазор. Реально интервал времени, в течение которого ток с катода поступает в анодный резонатор, существенно меньше половины периода, так как ток с катода пропорционален разности потенциалов U_кс в степени 3/2 и практически большая часть тока с катода отбирается при напряжениях, близких к максимальному положительному.

Промодулированный по плотности поток электронов наводит токи в выходном резонаторе. И входной конвекционный ток и выходной наведенный ток в данном случае меняются не по гармоническому закону. Если выходной резонатор настроить на наиболее интенсивную основную гармонику, частота которой равна частоте входного сигнала, резонатор в резонансных условиях имеет чисто активное сопротивление. При этом в выходном зазоре автоматически устанавливается тормозящее электронные сгустки электрическое СВЧ поле. Отбираемая от электронов энергия идет на усиление выходного сигнала на частоте входного сигнала.

В триоде можно получить умножение частоты, если настроить выходной резонатор на одну из высших гармоник на кратной частоте. Может работать триод и как генератор. При этом только должна быть обеспечена положительная обратная связь между выходом и входом. Такая связь может быть осуществлена, например, с помощью коаксиальной линии, соединяющей входной и выходной резонаторы. Условия реализации положительной обратной связи в разных СВЧ приборах качественно подобны и для экономии времени мы рассмотрим особенности реализации такой связи позже на примере другого прибора - клистрона.

Использование полых резонаторов позволило продвинуться в приборах такого типа в область более коротких длин волн по сравнению с обычными низкочастотными триодами. Однако, у СВЧ триодов и вообще СВЧ приборов с сеточным управлением есть одно ограничение принципиального характера, препятствующее их использованию на частотах более 300-600 МГц. В приборах такого типа на более высоких частотах трудно реализовать приемлемые значения угла пролета в высокочастотных зазорах. Они принципиально не могут быть использованы на более высоких частотах, так как велико время  пролета электронов в зазорах полых резонаторов.

При заданном расстоянии между сетками резонатора время пролета определяется ускоряющей электроны разностью потенциалов, а последняя во входном резонаторе не может быть велика, так как с ростом входного сигнала, определяющего эту разность потенциалов (постоянное напряжение в этом зазоре мало или отсутствует), уменьшается коэффициент усиления триода.

Подав на сетку ускоряющее электроны напряжение можно было бы уменьшить угол пролета в этом зазоре. Однако, при этом уменьшается глубина модуляции конвекционного тока, поступающего во второй резонатор, а это неизбежно приведет к уменьшению КПД прибора.

********************************************************************

В зазоре сетка-анод электроны попадают под действие ускоряющего постоянного поля и двигаются быстрее, чем в первом зазоре. Однако, угол пролета и во втором зазоре не может быть мал.Во-первых,этот зазор шире, так как для получения больших мощностей используются высокие напряжения и необходимо обеспечить достаточную электрическую прочность зазора. Во-вторых,электроны попадают в анодно-сеточный зазор с малыми начальными скоростями(если мал входной сигнал).Из-за большого времени пролета в выходном анодно-сеточном зазоре происходит «расфокусировка электронных сгустков», влетевших в эту область, и увеличивается длительность импульсов наведенного тока.Связано это с тем, чтона входе во второй резонатор электроны имеют разброс по скоростям, обусловленный пролетом в первом резонаторе в разных фазах ВЧ поля.Расширение же импульсов наведенного тока ведет к уменьшению амплитуды основной гармоники СВЧ поля во втором резонаторе, а следовательно к уменьшению выходной мощности и КПД.

Недостатком мощных СВЧ триодов является и то, что в них приходится использовать сетки высокой прозрачности (чтобы они перехватывали меньшую часть тока с катода). В приборах с прозрачной сеткой ВЧ поля проникают из выходного резонатора во входной, а это может привести к самовозбуждениютриода.

Несколько лучшими характеристиками, чем триод, обладают тетроды лампы с двумя сетками). На рис.4.2 показана типичная схема подключения резонаторов в тетроде. В тетроде электроны ускоряются в зазоре между сетками С1 и С2. Поэтому угол пролета в зазоре вторая сетка - анод может быть уменьшен, а это позволяет обеспечивать большие КПД в тетродах, чем в триодах. Введение второй (экранной) сетки позволяет уменьшить проходную емкость между выходным и входным резонатором и уменьшить паразитные обратные связи между выходными и входными цепями.

Рис.4.2.

Триоды и тетроды дециметрового и метрового диапазона длин волн являются достаточно мощными приборами, обеспечивающими в непрерывном режиме выходные мощности до десятков и даже сотен кВт, а в импульсном режиме позволяют получать до МВт. КПД длинноволновых СВЧ триодов

достигает значений порядка 50 - 60%. В тетродах получают КПД ориентировочно до 75%. Таким образом, лампы с сеточным управлением достаточно просты, являются мощными и эффективными СВЧ приборами дециметрового и метрового диапазона длин волн. Достоинством таких ламп является также и то, что для них характерен малый уровень шумов. Анализ процессов в вакуумных электронных приборах показывает, что основным источником шумов и паразитных сигналов являются автоколебания пространственного заряда, развивающиеся в электронных потоках. Интенсивные паразитные колебания развиваются, обычно, в более протяженных и пространственно неоднородных электронных потоках, чем в рассмотренных типах ламп с сеточным управлением.

Очевидный недостаток СВЧ ламп с сеточным управлением - малый достижимый в них коэффициент усиления К10-15 дБ. Препятствует получению больших усилений, в первую очередь, сравнительно плохое качество «сгустков пространственного заряда», наводящих ток во втором резонаторе. Другой важный недостаток - узкая полоса частот, задаваемая резонаторами. Изменение рабочей частоты в таких приборах возможно только при механической перестройке резонаторов. *********************************************************************

Как уже говорилось выше, препятствуют продвижению приборов с сеточным (статическим)управлением в область более высоких частот большие углы пролета электронов в ВЧ зазорах резонаторов. Казалось бы, уменьшить углы пролета можно, уменьшая расстояния между сеткой и катодом, а также между сеткой и анодом. Однако, если не уменьшать одновременно поперечные размеры электродов, это неизбежно приведет к увеличению емкости зазоров, а следовательно и резонансных частот резонаторов, которые обратно пропорциональны корню квадратному из емкости. Практически единственный рассматривающийся в настоящее время путь продвижения устройств с сеточным управлением в область больших частот – миниатюризация этих приборов.