книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот

Т а б л и ц а 5.2

Основные данные входных, промежуточных и выходных ЛЕВ

вает, что более высокие результаты по коэффициенту шума наиболее просто достигаются при специально по­ добранной форме распределения магнитного поля вдоль оси лампы и ускоряющих электродов [39].

Ограничения при применении ЛБВ, особенно цепо­ чек из ряда ламп, в значительной мере связаны с боль­ шим весом и габаритами. Подобную трудность до по­ следних лет не удается преодолеть для входных ламп с весьма малым коэффициентом шума.

Для ламп же промежуточных или выходных, требова­ ния к которым в отношении шумов невелики, предложе­ ны конструкции пакетированных ЛБВ с периодической магнитной системой фокусировки, с центробежно-элек­ тростатической (спиротроны), периодической электро­ статической и ионной фокусировками. Применение этих ламп, приобретающих с каждым годом все более широ­ кое распространение, повышает эксплуатационные каче­ ства аппаратуры на ЛБВ.

242

зование для этой цели ЛБВ упрощает устройство для формирования ианосекундиых импульсов, обеспечивая их усиление в широкой полосе пропускания (свыше 500—1000 Мгц). Подобное «применение ЛБВ рассмотре­ но в некоторых работах [12, 38]. Колебания СВЧ, генери­ руемые клистроном в непрерывном режиме, подаются па вход ЛБВ, к спирали .которой подводится синусоидаль­ ное напряжение от модулятора. В связи с тем, что ЛБВ усиливает в определенном диапазоне напряжений, при­ кладываемых к спирали, возможно усиление сигнала от

можно получать весьма кратковременные импульсы СВЧ различной длительности и частоты следования.

5.3.ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ НА ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И СРОК СЛУЖБЫ ЛБВ

Эффективное использование ламп бегущей волны требует более подробных сведений о зависимостях вы­ ходных параметров и срока службы от режима работы.

Рассмотрим это на примере входной ЛБВ со средним значением коэффициента шума, близкой по параметрам к лампе по типу УВ-5.

На рис. 5.9 приведены зависимости тока коллектора, коэффициентов шума и усиления от напряжения накала, из которых видно, что для обследуемого образца ЛБВ оптимальное значение напряжения накала равно 3,2 в. Если к лампе предъявляется требование кш< 8 дб, то до­ пуск на изменение накала, как это следует из графика, составляет ±0,32 в (±10% ). Подобный допуск на ста­ бильность по сети переменного тока обеспечивается с большим запасом во всех радиотехнических устрой­ ствах. Поэтому задача оператора состоит в правильном установлении номинального напряжения накала, указан­ ного в паспорте на ЛБВ.

Зависимости 1К0Я, km и kvc от йапряжения на управ­ ляющем электроде и первом аноде показаны на рис. 5.10 и 5.11. Из этих графиков видно, что напряжения на управляющем электроде и первом аноде не являются критичными при установлении режима работы ЛБВ.

Величина тока электронного пучка, проходящего че­ рез спираль (ток коллектора), оказывает существенное

244

Рис. 5.9. Графики зависимости тока коллектора, коэффициента усиления и коэффициента шума от на­ пряжения накала.

Рис 5 10 Графики зависимости тока коллектора, коэффи­ циента усиления и коэффициента шума от напряжения на управляющем электроде.

245

влияние на коэффициент^ шума й усиления, которые возрастают с увеличением тока пучка (рис. 5.12). Для рассматриваемого типа ЛБВ нижний предел тока кол-

Рнс. 5.11. Графики зависимости тока коллектора, коэффи­ циента усиления и коэффициента шума от напряжения перво­ го анода.

лектора ограничен минимально допустимым значением коэффициента усиления, а верхний — максимально .до­ пустимым уровнем шумов.

Рис. 5.12. Графики зависимости коэффициента усиления и коэффициента шума от тока коллектора (спирали).

246

Параметры ЛБВ достаточно критичны к величине напряжения спирали, -на что при выборе режима рабо­ ты ЛБВ следует обращать внимание.

Характер изменения коэффициентов шума и усиления от изменения напряжения на спирали показан на рис. 5.13. Как следует шз трафика, -максимум коэффици­ ента усиления и -минимум коэффициента шума соответ­ ствуют приблизительно одинаковому значению на-пряже-

Рис. 5.13. Графики, зависимости коэффициента усиления и коэф­ фициента шума от напряжения спирали.

ния на спирали. Это является типичным для большин­ ства типов малошумящих ЛБВ.

Оптимальные значения электрического режима рабо­ ты обследованных образцов ЛБВ и допустимые преде­ лы изменения режима, установленные из условия под­ держания коэффициента шума менее 8 дб и коэффициен­ та усиления более 25 дб, даны в табл. 5.3.

При применении ЛБВ в когерентных радиоэлектрон­ ных Системах выбор и поддержание режима работы лампы помимо коэффициентов усиления и шума опре­ деляется требованиями по стабильности фазы усиливае­ мых сигналов. Ориентировочно сдвиг фазы выходного сигнала относительно входного прямо пропорционален

247

длине замедляющей системы и обратно пропорционален корню 'квадратному из ускоряющего напряжения.

Фазовый коэффициент для входных и промежуточ­ ных ЛБВ, характеризующий смещение фазы усиливае­ мых сигналов от изменения напряжения на замедляю­ щей системе, составляет Аф/ДС/Сп=-5-ь 15 град/в.

Приведенные данные зависимости основных выход­ ных параметров ЛБВ от электрического режима рабо­ ты свидетельствуют о необходимости при эксплуатации ЛБВ правильно устанавливать питающие напряжения в соответствии с требованиями паспорта на лампу. Под­ держание же этих режимов в процессе эксплуатации не представляет больших затруднений, так как допуски на изменение режима значительно больше по сравнению со стабильностью .питающих напряжений в аппаратуре.

Следующий вопрос, требующий специального рас­ смотрения, связан с влиянием электрического режима работы на срок службы ЛБВ.

На рис. 5.14 показана ориентировочная зависимость коэффициента шума ЛБВ от срока службы при номи­ нальном режиме работы ЛБВ.

Некоторым уменьшением тока в пучке (за счет по­ нижения коэффициента усиления) и облегчением темпе­ ратурного режима работы можно добиться существен­ ного увеличения срока службы ЛБВ в 2—3 и более раз. Наоборот, установление предельно допустимых значе­ ний напряжения накала, напряжения на спирали и тем-

248

пературы баллона лампы, а тем более сверх этих зна­ чений приводит к катастрофическому сокращению срока службы и резкому понижению надежности ЛБВ в экс­ плуатационных условиях.

Рис. 5.14. Характер изменения коэффициента шума ЛБВ от срока службы..

5.4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ И КВАНТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ, ИХ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ И ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Параметрические и квантовые усилители и генера­ торы являются сравнительно новыми приборами СВЧ. Однако они начинают прочно занимать место в тех слу­ чаях, когда требуются малые уровни шумов или источ­ ники колебаний весьма высокой стабильности.

Опыт применения этих видов приборов еще незначи­ телен: многие приборы находятся в стадии опытных раз­ работок, не выявились наиболее перспективные схемы приборов, идет бурный процесс их развития.

Идея использования параметрических явлений для усиления и генерирования электромагнитных колебаний была показана в 30-х годах Л. И. Мандельштамом, Н. Д. Папалекси [15] и развита в работах В. В. Мигулина [16] и других советских и иностранных ученых

[J7— 20].

249

Принцип действия параметрического усилителя, по­ строенного с.использованием полупроводникового диода, феррита, электронных пучков в вакууме и т. п., основан на модуляции реактивного сопротивления (параметра емкости или индуктивности) контура, благодаря чему изменяется энергетическое состояние электрической си­ стемы.

Квантовые приборы для усиления и генерирования колебаний СВЧ были предложены в 1954 г. советскими физиками Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым [21] и не­ сколько позднее американскими учеными Гордоном, Цангером и Таунсом [22], которые назвали эти приборы

«мазерами».

Более подробные сведения о физической сущности яв­ лений в квантовых приборах, их устройстве и свойствах можно найти в работах [23—25].

В квантовых приборах эффект усиления или генера­

щества, находящегося в газообразном или твердом со­ стоянии.

* Внутренняя энергия частиц (молекул, атомов, ионов), состоящих из совокупности определенным образом дви­ жущихся и ориентированных электронов и атомов ядер, как говорят, квантована, т. е. соответствует определен­ ным энергетическим уровням.

Процесс взаимодействия электромагнитного поля с частицами связан с переходом с одного энергетическо­ го уровня на другие и осуществляется только при усло­ вии возбуждения частиц внешней энергией. Последнее обычно осуществляется с помощью подведения к ве­ ществу колебаний СВЧ.

Таким образом, несмотря на различную физическую сущность параметрических и квантовых приборов, имеется между ними некоторая общность, состоящая в том, что для их работы необходимы источники вспо­ могательного' излучения (генераторы подкачки). Много общего имеется и в радиотехнических схемах при при­ менении параметрических и квантовых усилителей и ге­ нераторов. Остановимся более подробно на параметри­ ческих полупроводниковых усилителях и квантовых уси­ лителях на твердом теле, используемых в входных устройствах приемников высокой чувствительности.

250

Блок-схема и основные элементы резонаторного па­ раметрического и квантового усилителей проходного и отражательных типов показаны на рис. 5.15. Отсюда видно, что обязательными составными частями обоих усилителей являются:

—резонатор (иногда система резонаторов);

—нелинейный элемент в виде полупроводникового диода на основе германия или арсенида галлия (в пара-

■4

Рис. 5.15. Блок-схема резонаторного'параметрического и квантового усилителей (а — проходного типа; б — отражательного типа).

251