10.1. Принципы генерирования сигналов свч
Существующие генераторы сигналов СВЧ построены на различных принципах действия. В основу генератора могут быть положены такие электронные приборы, как клистрон, магнетрон, оротрон, транзистор, лампа бегущей волны (ЛБВ), лампа обратной волны (ЛОВ) и различные типы полупроводниковых диодов: лавинно-пролетные (ЛПД), диоды Ганна, диоды с накоплением заряда (ДНЗ). Известны и другие типы источников СВЧ колебаний. Каждый из названных электронных приборов имеет свои области применения, преимущества и недостатки. Например, наибольшую выходную мощность можно получить с помощью магнетронов и мазеров на циклотронном резонансе, которая ограничивается мощностью электрического пробоя используемого тракта. Максимальная выходная мощность измерительных генераторов обычно не превышает 10-2—10Вт, что оказывается достаточным для большинства задач, решаемых в измерительной технике. В качестве источников СВЧ колебаний в измерительных генераторах наибольшее распространение получили клистроны, диоды Ганна, транзисторы и лампы обратной волны.
Общий принцип действия электровакуумных генераторов и усилителей СВЧ основан на взаимодействии электронного потока с электромагнитным полем, когда осуществляется преобразование кинетической энергии электронов в энергию электромагнитных колебаний. Электроны приобретают кинетическую энергию от источников постоянного тока, питающих генератор или усилитель. Таким образом, мощность постоянного тока с определенным коэффициентом полезного действия преобразуется в мощность электромагнитных СВЧ колебаний. С энергетической точки зрения коэффициента полезного действия является важной характеристикой генераторного прибора, однако мощность измерительных генераторов мала, а условия применения практически не ограничивают потребляемую мощность, поэтому КПД на измерительные генераторы не нормируется.
Рис. 9.70. Схема отражательного клистрона
Наибольшее распространение в качестве источников СВЧ колебаний получили отражательные клистроны (рис.9.1). Отражательный клистрон имеет только один резонатор. Электроны, вылетающие с катода К, ускоряются напряжением сетки С и пролетают резонатор Р, который модулирует их по скорости. Затем они тормозятся отрицательным напряжением отражателя О и возвращаются обратно, группируясь при этом в сгустки. При обратном пролете резонатора электроны тормозятся и отдают накопленную энергию электромагнитному полю резонатора, в котором таким образом поддерживаются незатухающие колебания. Из резонатора мощность выводится в выходной тракт через элемент связи. Изменение напряжения на отражателе приводит к изменению частоты сигнала и его мощности. Последнее обстоятельство широко используется для модуляции и подстройки частоты генератора и для его синхронизации от источника колебаний стабильной частоты. В современной технике клистроны используются для генерации колебаний с частотой от нескольких гигагерц до 200 ГГц.
В последнее время все большее распространение получают генераторы на диодах Ганна, позволяющие генерировать электромагнитные колебания с частотой от 1 до 150 ГГц при уровне мощности в непрерывном режиме до 1 Вт, а в импульсном — до 1000 Вт. Принцип действия этих диодов основан на эффекте Ганна — генерации СВЧ колебаний электрического тока в полупроводнике с N-образной вольт-амперной характеристикой. Эффект впервые был обнаружен в 1963 г. американским физиком Дж. Ганном в кристалле арсенида галлия. Падающий участок вольт-амперной характеристики диода, на котором дифференциальное сопротивление отрицательно, объясняется квантовой теорией электрического спектра электронов в кристалле. Электромагнитные колебания в кристалле возникают следующим образом. В объеме полупроводника с отрицательным дифференциальным сопротивлением однородное распределение электрического поля становится неустойчивым. Пусть, например, образовалась случайная неоднородность поля (в виде дипольного слоя). Учитывая, что при отрицательном дифференциальном сопротивлении ток меньше в той области, где поле больше, число электронов, втекающих в область повышенной концентрации будет больше, чем число вытекающих из этой области электронов. В результате неоднородность поля нарастает и образуется так называемый домен Ганна — область сильного электрического поля. Вне этого домена напряженность поля меньше критической, полупроводник обладает положительным дифференциальным сопротивлением и новые домены в нем не образуются. Домен состоит из электронов проводимости, поэтому движется со скоростью, близкой к дрейфовой скорости электронов v в полупроводнике. Домен возникает вблизи катода и, пройдя всю длину полупроводника ℓ, исчезает на аноде. После исчезновения домена падение напряжения на полупроводнике возрастает с одновременным возрастанием тока, и после превышения критической напряженности поля вблизи катода образуется новый домен. Таким образом, ток в полупроводнике периодически колеблется, период колебаний определяется временем перемещения домена, и частота определяется по формуле f = v/l. Для арсенида галлия v~107 см/с и при длине кристалла 50—300 мкм частота колебаний составляет 0,3— 2 ГГц.
Преобразование мощности постоянного тока в мощность СВЧ колебаний происходит во всем объеме полупроводникового диода Ганна, а не в узкой области р—п перехода, что позволяет получить большую по сравнению с другими твердотельными приборами мощность СВЧ колебаний. Диод Ганна устанавливается в коаксиальный, волноводный или коаксиально-волноводный резонатор. Частота генерации изменяется в широком диапазоне частот механической перестройкой резонатора. Электронная перестройка частоты осуществляется в небольших пределах изменением напряжения питания. Для перестройки частоты на 5—20 МГц необходимо изменить напряжение питания примерно на 1 В.
Электронная перестройка частоты в широком диапазоне может быть осуществлена в генераторах, где источником колебаний является лампа обратной волны. В лампах бегущей и обратной волны усиление и генерация СВЧ колебаний так же, как и в клистронах, достигается за счет преобразования кинетической энергии электронов в энергию электромагнитных колебаний. Сначала электроны в пучке модулируются по скорости, и, пролетая некоторое расстояние, они тоже группируются в сгустки, но тормозятся и отдают энергию не один раз, а многократно, так как ЛБВ и ЛОВ содержат не один зазор резонатора, в котором тормозятся электроны при пролете, а множество одинаковых зазоров, включенных в общую передающую линию. Электронные сгустки должны проходить каждый зазор в одной и той же фазе, когда тормозящее электрическое поле максимально. Следовательно, скорость волны, бегущей по линии, v и скорость сгустков электронов v0 должны быть примерно равными. Это условие называют условием синхронизма электронов и бегущей волны. Условие синхронизма является необходимым для усиления или генерации электромагнитных колебаний. Скорость электронов v0 не может достигать скорости света с, с которой распространяется электромагнитная волна в свободном пространстве. Обычно выбирают v0≈0,1 с, поэтому для достижения условия синхронизма передающая линия должна обладать свойствами линии задержки. В качестве такой линии, называемой замедляющей системой, может быть использован зигзагообразный волновод, спираль, гребенка и т. и
Рис. 9.71 (а) Схема устройства усилительной ЛБВ
Изображенная ЛБВ относится к О-типу, для которого направление магнитного поля совпадает с направлением прямолинейного электронного пучка и служит только для фокусировки пучка. Существуют также ЛБВ и.ЛОВ типа М, в которых магнитное поле является поперечным и электроны в таких лампах двигаются, как в магнетронах, в скрещенных электрическом и магнитном полях. ЛОВ типа М иногда называют карцинотронами и используют для генерации большой мощности.
ЛБВ О-типа состоит из подогреваемого катода 1, анода (ускоряющего электрода) 2, коллектора 3, спирали (замедляющей системы) 4. Поверх вакуумного баллона лампы размещена фокусирующая магнитная система — соленоид 5. Ввод и вывод СВЧ мощности осуществляется через коаксиальные вход 7 и выход 6. Работа ЛБВ происходит следующим образом. Приложенное напряжение U обеспечивает ускорение электронов до скорости порядка 0,1 с, постоянное магнитное поле фокусирует электронный пучок. Пролетая начальный участок замедляющей системы (спирали), электроны модулируются по скорости. Продвигаясь далее, электроны группируются в сгустки, которые наводят в замедляющей системе ток и создают тормозящее их движение СВЧ поле. Таким образом, кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию СВЧ колебаний, которые через коаксиальный выход поступают в тракт. Электроны, пролетевшие вдоль замедляющей системы, попадают на коллектор и возвращаются в источник питания. Коэффициент усиления ЛБВ может быть достаточно большим — (40—50 дБ). Рассматривая процесс усиления волн в ЛБВ, можно увидеть аналогию с процессом образования нарастающих волн на поверхности воды, когда скорость ветра превышает фазовую скорость волн.
Рис. 9.2(б) Схема лампы бегущей волны: б – ЛОВ
Принцип действия ЛОВ отличается от описанного для ЛБВ тем, что движение электронов и нарастающей электромагнитной волны противоположны по направлению. Отсюда происходит название — лампа обратной волны. Схема ЛОВ изображена на рис.9.2, б. Она также содержит подогреваемый катод 1, анод 2, коллектор 3, спираль 4, соленоид 5 и выход 6, но в отличие от ЛБВ, имеет согласованную нагрузку 7, расположенную в конце спирали, вблизи коллектора. Если бы замедляющая система была однородной, волна, распространяющаяся со стороны коллектора, по спирали, не имела бы эффективного взаимодействия с электронным пучком. Однако замедляющая система спирали представляет собой периодическую структуру, т. е. множество периодически повторяющихся неоднородностей. При определенной скорости v0 электроны, двигающиеся навстречу распространяющейся от коллектора волны, могут при прохождении неоднородностей спирали встречать одну и ту же фазу электромагнитных колебаний. В этом случае выполняется условие синхронизма и происходит нарастание амплитуды колебаний. Электроны отдают свою кинетическую энергию полю замедляющей системы, а электромагнитная волна, распространяющаяся от согласованной нагрузки, переносит эту энергию на выход ЛОВ, модулируя при этом по скорости другие электроны, влетающие в поле спирали с катода. Таким образом, электронный пучок в ЛОВ представляет собой не только источник энергии для электромагнитных колебаний, но и звено положительной обратной связи, в результате действия которой и возникают колебания. Согласованная нагрузка 7 служит для улучшения согласования ЛОВ с трактом и уменьшения коэффициента отражения выхода генератора.
Характерная особенность и основное преимущество ЛОВ перед другими типами генераторов — это возможность плавной электронной перестройки частоты генерируемых колебаний в широком диапазоне. Диапазон перестройки ЛОВ может достигать нескольких октав. ЛОВ чаще всего применяются в генераторах качающейся частоты (свип-генераторах). Частота колебаний, генерируемых ЛОВ, может достигать 1500 ГГц.
Последние достижения в области полупроводниковой технологии позволили создать транзисторы, которые можно использовать в качестве источников СВЧ колебаний. Принцип действия транзисторов при этом остается таким же, как в диапазоне более низких частот, однако конструктивно элементы схемы СВЧ генератора отличаются и имеют особенности, характерные для СВЧ диапазона. Частота колебаний транзисторных генераторов достигает нескольких ГГц. Принципиально могут быть разработаны генераторы и усилители на полевых транзисторах со структурой металл—окисел—полупроводник и металл—диэлектрик—полупроводник в диапазоне частот до 40 ГГц. Преимуществом транзисторных генераторов по сравнению с генераторами на диодах Ганна и лавинно-пролетных диодах является низкий уровень шумов, т. е. более высокая стабильность частоты и выходной мощности. Частотный шум генераторов на диодах Ганна того же порядка, что и у генераторов с отражательным клистроном; амплитудные шумы примерно на 30 дБ меньше частотных.
В настоящее время ведутся поиски новых принципов генерирования электромагнитных колебаний, постоянно расширяются диапазоны частот и уровней выходной мощности генераторов, в разрабатываемые генераторы всех типов вводится автоматизация.