книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ

I ll

УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ

1. Лампы, основанные на управлении плотностью тока (триоды)

Наиболее распространенными устройствами для уси­ ления и получения высокочастотных колебаний являют­ ся электронные лампы с управлением плотностью тока (триоды, тетроды)*). Они используются в так назы­ ваемых схемах с «общим катодом» и с «общей сет­ кой». В схеме с общим катодом (рис. 23, а) входной и

Рис. 23. Триодиые схемы:

а —с общим катодом: б —с общей сеткой.

выходной контуры включаются между сеткой и като­ дом, а также между анодом и катодом; в схеме с об­ щей сеткой (рис. 23, б) — между сеткой и катодом и сеткой и анодом соответственно. При включении с об­ щим катодом и при работе на низких частотах цепь управляющей сетки не потребляет мощность; на сверх­ высоких частотах это уже не так. Электроны, находя­ щиеся в пространстве между катодом и сеткой, к ко­

*) В отечественной литературе этот класе электронных прибо­ ров чаще называется «лампы со статическим управлением электрон­ ным потоком» (Прим, перев.).

42

торой приложено отрицательное напряжение, наводят на сетке заряды. На низких частотах, т. е. при прене­

ный ток опережает управляющее напряжение на я/2 и является чисто реактивным током. При высоких ча­ стотах, т. е. при конечных значениях угла пролета, опережение тока становится меньшим, чем я/2. Наве­ денный ток в этом случае обладает компонентой, ко­ торая оказывается в фазе с переменным напряжением на управляющей сетке. Активная входная электронная проводимость промежутка сетка — катод теперь будет отлична от нуля и равна

(32)

Здесь So — статическая крутизна сеточной характери­ стики, а тс_к — время пролета электронов между като­

дом и сеткой. Управление током на высоких частотах из-за появления активной проводимости перестает быть «безваттным». Электронные лампы с управлением плот­ ностью не могут уже на сверхвысоких частотах обеспе­ чивать усиление напряжений, как это имеет место в ра­ диочастотном диапазоне. Здесь приходится говорить об усилении мощности и вводить соответствующий коэф­ фициент усиления

(33)

т. е. отношение выходной мощности Ра к мощности Pv, поступающей на вход от некоего генератора.

Кроме входной электронной проводимости лампы Gei, на высоких частотах начинает сказываться индук­ тивность вводов, особенно катодного ввода. Это приво­ дит к появлению входной проводимости

где — индуктивность катодного ввода, а Сс-к—• емкость сетка — катод. Индуктивная входная проводи­ мость GL складывается с электронной входной прово­ димостью Gei. 6 результате потребление мощности в цепи управляющей сетки еще более возрастает, а до­ стижимое значение усиления соответственно падает.

43

Схема с общей сеткой по сравнению со схемой с общим катодом обладает тем преимуществом, что ак­ тивная проводимость свозрастанием частоты умень­ шается и в конечном счете становится меньше, чем при включении по схеме с общим катодом, как это видно из рис. 24. Это связано с тем, что в схеме с общей сеткой через входной контур протекает только ток, наве­ денный в промежутке катод — сетка, а в схеме с общим

управляющей сеткой применяют только схему с общей сеткой. К этому надо добавить, что используемые три­ оды отличаются исключительно малыми расстояниями между электродами, высоко эффективными катодами и плоскими электродами с выводами в виде дисков или колец (для уменьшения паразитных емкостей и индук­ тивностей). Необходимая малость времени пролета электронов между сеткой и катодом достигается не только за счет уменьшения расстояния сетка — катод, которое в современных СВЧ-триодах лежит в пределах

плотностью тока. Между углом пролета электронов в

44

(здесь f — в Ггц, tfc- к — в мкм, J — в а!см2). Таким об­ разом, при заданной частоте и заданном расстоянии между сеткой и катодом угол пролета будет тем мень­ ше, чем выше плотность тока, выходящего из катода. Если, например, ограничить значения угла пролета мак­ симальной величиной 120°, то при заданных значениях d и J может быть достигнута максимальная частота

(36)

Наиболее короткие волны, на которых еще могут ис­ пользоваться триоды специальной конструкции, соот­ ветствуют диапазону см.

2. Электронно-лучевые лампы с управлением скоростями электронов

а) Клистроны

Применение принципа действия ламп с управлением плотностью тока при высоких частотах встречает за­ труднения из-за конечных значений времени пролета электронов и, в конце концов, становится невозможным. В то же время существуют типы электронных ламп, в которых специально используется конечное время про­ лета электронов в высокочастотных переменных полях и которые с успехом применяются для усиления и ге­ нерирования СВЧ.

Эффекты, связанные с временем пролета, в наибо­ лее ясном виде находят применение в клистронах. На рис. 25 показана принципиальная схема двухрезонатор­ ного клистрона, который состоит из таких основных элементов, как входной контур, пространство дрейфа (трубка дрейфа), выходной контур и коллектор элек­ тронного пучка. Входные и выходные контуры обычно являются объемными резонаторами с емкостной частью (см. рис. 7), которые в аксиальном направлении, па­ раллельно электрическим силовым линиям СВЧ-поля, пронизываются электронным пучком. Электроны, вхо­ дящие в первый резонатор с равными и постоянными скоростями v в момент времени U, в результате воздей­ ствия переменного поля меняют скорости и при выходе

45

СВЧ-поле; оно оказывается направленным так, что воз­ никшее СВЧ-напряжение тормозит движение сгустков, при этом их кинетическая энергия переходит в электро­ магнитную энергию выходного резонатора. Поскольку из-за фазовой фокусировки в среднем больше электро­ нов тормозится СВЧ-полем в выходном резонаторе, чем ускоряется при прохождении входного контура, то СВЧмощность на выходе клистрона превосходит мощность, затраченную на модуляцию электронов по скоростям,

Рис. 26. Графики движения электронов пучка, модулируемого по скорости.

т. е. получается усиление. Создав обратную связь ме­ жду выходным и входным резонаторами, можно полу­ чить самовозбуждающийся генератор.

Процесс модуляции электронов по скорости можно рассматривать как некое электромагнитное возмущение, которое волнообразно передается вдоль электронного потока. При этом электроны должны периодически сближаться, но в то же время между ними действуют и электростатические силы расталкивания, в результа­ те разница в скоростях у электронов уменьшается. Итак, амплитуда переменной составляющей скорости спадает вдоль электронного пучка и, наконец, достигает нуле­ вого значения, когда первоначальная кинетическая энергия электронов переходит в потенциальную энергию поля пространственного заряда, которая затем вновь преобразуется в кинетическую энергию. Электроны

4 7

начинают удаляться друг от друга, и снова возникает переменная составляющая скорости. Изменение ампли­ туды скоростей электронов приводит к появлению переменного электронного тока; его значения макси­ мальны там, где переменные скорости электронов об­ ращаются в нуль, и наоборот. Такие взаимные переходы между потенциальной и кинетической энергиями элек­ тронов представляются с точки зрения неподвижного наблюдателя в виде стоячих волн; их существование связано с конечным значением пространственного за­ ряда в электронном пучке, и называются они волнами пространственного заряда.

Математическое исследование волн пространствен­ ного заряда показывает, что при модуляции электронного потока по скорости возникают две волны пространствен­ ного заряда с одинаковой частотой, но с разными фа­ зовыми скоростями, которые накладываются друг на друга. Фазовые скорости обеих волн равны

Здесь

(40)

(ро— средняя плотность пространственного заряда в пучке) есть так называемая плазменная частота. Она идентична частоте собственных колебаний электронов в плазме. Из выражений (39) следует, что одна из двух волн пространственного заряда имеет скорость мень­ шую, чем средняя скорость движения электронов v (медленная волна пространственного заряда), скорость другой — больше, чем v (быстрая волна пространствен­ ного заряда). Плазменная частота зависит от .плотно­ сти электронного пучка, его геометрических размеров, а также от частоты сигнала и распределения скоростей электронов в потоке. Вообще говоря, любое возмуще­ ние (сигнал, шум) в электронном потоке распростра­ няется в виде волны. Для слабого сигнала (малая ам­ плитуда сигнала) соответствующий волновой процесс может быть представлен выражением14

4 8

где у = а — /р —комплексная постоянная распростране­ ния волны пространственного заряда, a -показатель уси­ ления, р= о)/оф — фазовая постоянная распространения

и— фазовая скорость. Усиление возможно, если ха­

рактер распространения волн пространственного заря­ да таков, что показатель усиления вдоль направления движения волны увеличивается. В клистроне усиление осуществляется потому, что волны пространственного заряда, имеющие различные фазовые скорости, интер­ ферируют между собой; вдоль электронного пучка по­ являются области, где соответствующие этим волнам амплитудные значения токов суммируются, хотя каж­ дая из двух волн пространственного заряда сама по себе не имеет нарастания амплитуды.

Современный двухконтурный клистрон обеспечивает усиление мощности примерно на 10 дб при выходной мощности до 1 кет и КПД порядка 10% (в непрерыв­ ном режиме). Более высокое усиление, большие полосы частот и КПД достигаются в том случае, если клистрон имеет три или более контуров. На рис. 27 приведена

ВЧ~выход

Рис. 27. Упрощенная схема конструкции трехконтурного кли­ строна с электростатической фокусировкой электронного пучка.

очень упрощенная схема трехрезонаторного клистрона с электростатической фокусировкой электронного пучка. СВЧ-мощность поступает во входной контур и усилен­ ная выводится из выходного контура. Между входным и выходным резонаторами помещен еще один контур, связанный с электронным потоком. В каком-то смысле