3. Активные элементы передатчика

В качестве активных элементов автогенераторов, усилителей и умножителей частоты могут использоваться транзисторы и элек­тронные лампы. Однако в диапазоне СВЧ, электронные лампы с управ­ляющими сетками находят ограниченное применение, поскольку время пролета электронов между электродами становится соизме­римым с периодом колебаний на входе. Вследствие этого коэффи­циент усиления электронных ламп падает. Для генерирования и усиления колебаний в этом диапазоне используются генераторы СВЧ со скоростной модуляцией электронного потока: клистроны, магнетроны, лампы бегущей волны (ЛБВ), лампы обратной вол­ны (ЛОВ) и др. Эти приборы работают на принципе управления скоростью электронов.

Клистроны в зависимости от особенностей работы подразделя­ются на пролетные и отражательные.

В пролетном клистроне по­ток электронов, формируемый электронным прожектором (рис. 4, а), проходит узкий зазор между стенками первого (входного) ре­зонатора, в котором возбуждаются колебания внешним сигналом. Пролетая зазор этого резонатора, электроны подвергаются скоростной модуляции, в результате чего в пролетном пространст­ве группируются их сгустки. Сгустки электронов за счет электро­статической индукции наводят во втором контуре колебания той же частоты. Энергия этих колебаний элементом связи отводится в нагрузку. При наличии положительной обратной связи между выходным и входным резонаторами система будет работать как генератор с самовозбуждением.

Пролетные клистроны могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме и использоваться в радиолокационных, радионавигационных и ра­диосвязных устройствах. Их выходная мощность составляет де­сятки киловатт в непрерывном режиме и десятки мегаватт в им­пульсном режиме в диапазоне от 0,2 до 40 ГГц. Коэффициент усиления 60—70 дБ, %. Основными недостатками про­летных клистронов являются ограниченная полоса усиливаемых частот и малый коэффициент перестройки по частоте ( =1,01).

Особенностью отражательного клистрона (рис. 4, б) является то, что он содержит лишь один резонатор, а вместо коллектора — отражатель, находящийся под отрицательным потенциалом. Элек­троны, вылетающие из катода, проходят сетки резонатора, моду­лируются по скорости и движутся сначала к отражателю, затем под влиянием его тормозящего поля — в обратном направлении, группируются в сгустки и попадают в тормозящее поле резонато­ра. Здесь энергия электронов передается электромагнитным коле­баниям, отводимым в нагрузку. Отражательные клистроны имеют %, выходную мощность несколько десятков милливатт.

Рис. 4. Пролетный (а) и отражательный (б) клистроны:

1 - катод; 2 - управляющая сетка; 3 - ускоряющий электрод;

4 и 5 - объем­ные резонаторы; 6 - коллектор

Используются в диапазоне СМВ и ММВ в качестве гетеродинов приемников и измерительных генераторов.

ЛБВ предназначены для усиления и генерирования колебаний в диапазоне ДЦВ, СМВ и ММВ.

Принцип действия ЛБВ (рис. 5) основан на непрерывном взаимодействии электронов с ЭМВ, бе­гущей в одном направлении с электронами вдоль замедляющей системы (спирали). В процессе этого взаимодействия группиру­ются сгустки электронов, которые тормозятся электрическим полем волны и отдают ей часть своей энергии. Различают ЛБВ с про­дольными электрическими (ЛБВ типа О) и поперечными магнит­ными (ЛБВ типа М) полями.

Рис. 5. Лампа бегущей волны:

1 - катод; 2 - управляющая сетка; 3 - ускоряющий электрод;

4 и 7 - входной и выходной элементы связи; 5 - фокусирующая

катушка; 6 - замедляющая система (спираль); 8 - коллектор;

9 и 10 - входной и выходной волноводы

ЛБВ обладают возможностью уси­ления сигналов в широкой полосе частот (до 2 ГГц), %, коэффициент усиления – 40-80 дБ, выходная мощность - от еди­ниц ватт до нескольких киловатт в непрерывном режиме и не­скольких сотен киловатт в импульсном режиме.

Для генерирования колебаний в СВЧ-диапазоне широко используются лампы обратной волны (ЛОВ).

ЛОВ представляют собой электронные приборы работа которых основана на взаимодействии потока электронов с полем бегущей электромагнитной волны, направление распространения которой противоположно направлению распространения потока электронов.

Существуют разновидности ЛОВ - типа О и типа М. В приборах О-типа (ЛОВ-О) электроны прямолинейного потока группируются продольной составляющей СВЧ поля и за счет этого передают часть своей кинетической энергии электромагнитной волне. В ЛОВ М-типа (ЛОВ-М) группирование электронов осуществляется за счет взаимодействия потока электронов с поперечным магнитным полем. При этом осуществляется передача электромагнитной волне части потенциальной энергии электронов.

Принцип действия ЛОВ-О состоит во взаимодействии сформированного потока электронов с замедляющей системой и формировании нарастающей (генерирующей) волны. Генерирующая волна распространяется навстречу электронному потоку, взаимодействует с ним, что приводит к увеличению напряженности ее поля.

Особенностью ЛОВ-О является то, что торможение электронных сгустков в таком прибое может только прерывистым. В этой связи энергия генерируемой волны возрастает дискретными порциями.

Принцип работы приборов ЛОВ-М также основывается на формировании сгустков электронов и торможении их в замедляющей системе, за счет этого происходит нарастание амплитуды колебаний той частоты, для которой выполняются условия самовозбуждения.

ЛОВ могут работать в широком диа­пазоне частот, имеют высокий КПД (до 40%), боль­шую выходную мощность (несколько киловатт в непрерывном и несколько сотен киловатт в импульсном режиме).

ЛОВ-М нашли широкое применение в качестве мощных СВЧ-автогенераторов пе­редатчиков станций помех и др.

ЛОВ-О также используются в ка­честве автогенераторов, имеют малый К.П.Д. (единицы процентов), находят применение в качестве перестраиваемых гетеродинов широкополосных приемников.

Для генерирования мощных колебаний в диапазонах СМВ и ММВ применяются также многорезонаторные магнетроны.

Магнетроном называется мощный автогенератор синусоидальных колебаний СВЧ, в котором управление электронным потоком производится при помощи электрического и магнитного полей.

Конструкции магнетронов бывают различные, но чаще других применяются многорезонаторные магнетроны.

Основными конструктивными элементами магнетрона (рис. 6) являются: катод, анодный блок с резонаторами и устройство вывода высокочастотной энергии.

Прин­цип действия магнетрона основан на формировании сгустков электронов и их взаимодействии с тормозящим электрическим полем резонаторов. В импульсном режиме они позволяют получить мощ­ность в импульсе до 10 МВт, а в непрерывном — до 10 кВт. До­стоинство магнетрона— высокий КПД (55%), а недостаток — вы­сокая нестабильность частоты и невозможность электронной пере­стройки частоты.

Магнетронные генераторы используются в пере­датчиках РЛС и радионавигационных станций. Перспективным является использование однорезонаторных магнетронов (митронов), которые обеспечивают хорошую линейность модуляци­онной характеристики и высокий КПД (30-40%).

Обобщенные сведения по характеристикам активных элементов передатчиков, работающих в СВЧ диапазоне, представлены в таблице 1.

Для генери­рования и усиления сигналов применяются также устройства на твердотельных приборах СВЧ: лавинно-пролетные диоды (ЛПД), диоды Ганна, параметрические диоды, полевые и биполярные транзисторы.

Генерирование и усиление колебаний в оптическом диапазоне осуществляется с помощью квантовых генераторов (лазеров и др.).

Рис. 6. Конструкция магнетрона: 1 – катод, 2 – анодный блок, 3 – резонатор,

4 – петля связи, 5 – вывод энергии

Принцип их действия основан на эффекте выделения энергии воз­бужденными молекулами и атомами вещества при переходе их на более низкий энергетический уровень. Управление выделяющейся энергией в режиме усиления осуществляется входным сигналом.

Доцент кафедры

Д. Корабейников

Таблица 1

Характеристики активных элементов передатчиков, работающих в СВЧ диапазоне

№ п/п	Тип активного элемента	Принцип действия	Область применения	Параметры
1	Пролетный клистрон	скоростная модуляция электронов; сгустки электронов формируются во входном резонаторе	РЛС РНС РС	1) в непрерывном режиме - де­сятки киловатт; в им­пульсном режиме - десятки мегаватт ( в диапазоне частот от 0,2 до 40 ГГц); 2) КПД: %
2	Отражательный клистрон	скоростная модуляция электронов; сгустки электронов формируются с помощью единственного резонатора	РЛС РНС РС	1) - несколько десятков мВт; 2) КПД %
3	Лампа бегущей волны типа О (ЛБВ-О)	скоростная модуляция электронов; сгустки электронов формируются в результате взаимодействия электронов с бе­гущим в одинаковом направлении продольным электрическим полем	РЛС РНС РС	1) в непрерывном режиме - от еди­ниц Вт до нескольких кВт; в импульсном режиме - не­сколько сотен кВт; 2) КПД %
4	Лампа бегущей волны типа М (ЛБВ-М)	скоростная модуляция электронов; сгустки электронов формируются в результате взаимодействия электронов с бе­гущим в одинаковом направлении поперечным магнитным полем	РЛС РНС РС	1) в непрерывном режиме - от еди­ниц Вт до нескольких кВт; в импульсном режиме - не­сколько сотен кВт; 2) КПД % и более
5	Лампа обратной волны типа О (ЛОВ-О)	скоростная модуляция электронов; поток электронов взаимодействует с полем бегущей в противоположном направлении ЭМВ; электроны группируются продольной составляющей СВЧ поля	РЛС РНС РС	1) КПД - единицы %; 2) несколько киловатт - в непрерывном режиме; несколько сотен киловатт - в импульсном режиме
6	Лампа обратной волны типа М (ЛОВ-М)	скоростная модуляция электронов; поток электронов взаимодействует с полем бегущей в противоположном направлении ЭМВ; электроны группируются поперечной составляющей СВЧ поля	РЛС РНС РС	1) несколько киловатт - в непрерывном режиме; несколько сотен киловатт - в импульсном режиме; 2) Высокий КПД
7	Многорезонаторный магнетрон	скоростная модуляция электронов; формирование сгустков электронов происходит в результате взаимодействия с тормозящим электрическим полем резонаторов	РЛС РНС РС	1) КПД %; 2) - десятки МВт в импульсном режиме

9