книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот

йВЛЯКУГСя весьма разнообразными. Они в значительной мере определяют выходные параметры приборов. Исполь­ зование приборов при предельных значениях плотности тока катода, напряжения и мощности рассеивания на электродах, реакции нагрузки, температуры, давления, влажности, вибрационных и ударных воздействий ока­ зывают сильное влияние на срок службы и надежность приборов. Это заставляет предъявлять соответствующие требования к приборам и обращать большое внимание на правильность выбора режимов и условий использо­ вания приборов в аппаратуре. Классификация прибо­ ров по группам жесткости в зависимости от их устой­ чивости к механическим и климатическим воздействиям дается в междуведомственных нормалях, общих и част­ ных технических условиях на приборы. В тех случаях, когда приборы не удовлетворяют этим требованиям, в аппаратуре принимаются меры по защите приборов от воздействия внешней среды (герметизаций, аморти­

в коммутационных приборах.

Стремление перекрыть меньшим количеством прибо­ ров весь диапазон радиочастот побуждает изыскивать способы расширения диапазона перестройки приборовавтогенераторов и расширения полосы пропускания приборов-усилителей.

22

На рис. 1.4 и 1.5 в виде графиков показаны обоб­ щенные литературные данные об уровнях мощности и значениях коэффициента шума промышленных зарубеж­ ных приборов СВЧ, позволяющие судить о величине энер­ гетического потенциала аппаратуры*. Более подробные

* Диаграммы построены по данным, (приведенным в гл. 2—5 И справочнике [25].

23

данные зарубежных фирм об уровнях мощности и шу­ мах приборов СВЧ по состоянию на 1961 г. содержатся в работе С. В. Кукарииа [11] и частично приводятся ниже с учетом данных, опубликованных в зарубежном литературе в 1962 г.

Кш,66

Рис. 1.5. Диаграмма типовых зависимостей коэффициента шума ог частоты для распространенных видов приборов СВЧ с малым уровнем .шумов.

Следует отметить, что на диаграммах рис. 1.4 и 1.5 не показаны приборы опытных разработок и приборы уникального применения, имеющие более высокие зна­ чения максимального уровня мощности и минимально достигнутый уровень шумов.

Для ориентировочной оценки достижимого уровня мощности различных видов приборов СВЧ можно поль­

24

Значения этого коэффициента, установленные Опыт­ ным путем для различных видов приборов, приведены в табл. 1.1.

Т а б л и ц а 1.1

Значения обобщенного коэффициента мощности для генераторных и усилительных приборов СВЧ (на частотах свыше 300 М гц)

Имеющийся разнобой данных, особенно для непре­

ного коэффициента мощности в точках частотного диа­ пазона, в которых получены наиболее высокие значения мощности. Поэтому выражение (1.2) следует считать приближенным, утрачивающим свое значение на ча­ стотах ниже 300—500 Мгц и выше 30—50 Ггц, По-ви­ димому, нельзя также выражение (1.2) применять к при­ борам, недостаточно эффективным в диапазоне СВЧ (например, для триодов и тетродов) или к приборам, наиболее эффективным на миллиметровых волнах (на­ пример, ЛОВ типа «О»),

Для оценки входных параметров приборов СВЧ

где Pm=kTN — мощность шумов на входе прибора, от­ несенная к полосе пропускания 1 гц, вт\

25

k — постоянная Больцмана; N — коэффициент шума;

f — частота генерируемых колебаний, Ггц\ а — коэффициент, ориентировочно для трио­ дов, ЛБВ, кристаллических детекторов и параметрических полупроводниковых

усилителей, равный 0,7.

Таким образом, для распространенных приборов энер­ гетический потенциал приемно-передающих устройств

т. е. понижается обратно пропорционально кубу ча­ стоты (точнее, степени 2,7).

С каждым годом наблюдается непрерывный рост энергетического потенциала электронных приборов СВЧ за счет постепенного возрастания средних и импульсных значений мощности передающих приборов и понижения уровня шумов приемных приборов СВЧ.

Исключение составляют квантовые усилители и ге­ нераторы, для которых соотношения (1.2) и (1.3) яв­ ляются практически непригодными в диапазоне милли­ метровых, субмиллиметровых и световых длин волн. Тех­ нические характеристики .этих новых видов приборов быстро совершенствуются, превышая все известные до­ стижения для приборов с управляемым пространствен­ ным зарядом, магнетронов, клистронов и ЛБВ.

1.4.ВИДЫ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ

ИУСЛОВИЯ СОПРЯЖЕНИЯ ПРИБОРОВ С АППАРАТУРОЙ

Внешняя среда, режим работы и условия использо­

вания приборов в аппаратуре оказывают существенное влияние на параметры приборов. С этим необходимо считаться при решении вопросов по применению при­ боров. На стабильность параметров, срок службы, а сле­ довательно, и на надежность приборов оказывают влия­ ние стабильность питающих напряжений и токов и сопротивление ВЧ нагрузки (электрический режим), температура внешней среды и условия охлаждения (температурный режим), механические воздействия (виб­ рация и удары), давление, влажность, биологическая

26

среда, радиоактивные излучения. По-разному они влия­ ют на выходные параметры приборов. Одни приводят к изменению частоты, мощности, коэффициента усиле­ ния, другие вызывают понижение электрической проч­ ности и стабильности, уменьшение срока службы.

Развитие авиации и, особенно, реактивной техники, предназначенной к использованию в космических про­ странствах, обусловливает резкое утяжеление условий внешней среды, в которой работает радиоэлектронная аппаратура.

Появившиеся в отечественной и зарубежной литера­ туре данные о дестабилизирующих факторах внешней среды, влияющих на работу аппаратуры, позволяют судить о чрезвычайно тяжелых условиях внешней среды [17]. Особенно это относится к современным и будущим летательным аппаратам (табл. 1.2) [18].

Таблица 1.2

Некоторые данные об ожидаемых условиях внешней среды для летательных аппаратов с атомными двигателями

Факторы, определяющие внешние условия окружаю­ щей среды для летательных аппаратов, и их изменение

27

за прошлое десятилетие и предполагаемые изменения на будущее десятилетие рассмотрены в статье Сайдериса [18] и приведены в виде диаграммы на рис, 1.6.

Согласно этой диаграммы внешняя среда летатель­ ных аппаратов характеризуется температурными, меха-

Магнитное поле Земли

Рис, 1.6. Диаграмма, характеризующая условия окружающей среды для самолетов и ракет и качественное изменение их по мере соверщенстдрранля летательных аппаратов [18].

28

Ш1ЧССК11МН, химическими и электромагнитными воздей­ ствиями, зависящими от атмосферного давления, темпе­ ратуры атмосферы, аэродинамического нагрева, облуче­ ния Солнца и т. п. В зависимости от скоростей, высот полета над уровнем Земли и достижений в области кон­ струирования и, особенно, материалов, применяемых в летательных аппаратах и .радиоэлектронной аппаратуре, роль различных факторов внешней среды изменяется (наиболее важные факторы на диаграмме показаны тол­ стыми линиями).

Изменение значений отдельных факторов внешней среды должно учитываться при разработке будущих кон­ струкции приборов и их применении.

Современные приборы СВЧ не в состоянии обеспе­ чить нормальную работоспособность в указанных выше жестких условиях внешней среды. Поэтому в аппа­ ратуре применяются различные способы для ослабления их вредного воздействия: герметизация, охлаждение или нагревание, амортизация, экраны для защиты от радио­ активных излучений и т. п.

Однако все эти способы не позволяют полностью исключить влияние дестабилизирующих факторов на приборы.

Изменения параметров СВЧ приборов от воздействия различных дестабилизирующих факторов можно подраз­ делить на четыре основные категории:

—плавные (медленные) обратимые;

—плавные (медленные) необратимые;

—скачкообразные (быстрые) обратимые;

—скачкообразные (быстрые) необратимые.

Подобная классификация позволяет связать свойства приборов с возможностями аппаратуры обеспечить устойчивую работу.

Следует заметить, что скачкообразные, быстрые об­ ратимые и необратимые изменения параметров в боль­ шинстве случаев связаны с аномальными нестационар­ ными процессами в приборах (искрениями, пробоями, изменениями видов колебаний и т. п.). Эти виды возму­ щающих факторов наиболее неблагоприятно влияют на надежность работы приборов СВЧ в комплексе.

На примере импульсных магнетронов рассмотрим изменение частоты и мощности от воздействия различ-

29

изменение частоты, спектра имощности

и мрантеристни для оценки устойчивости приборов к тдействиям дестбилмирутощих т к т ор ов /*

Рис. 1.7. Схема классификации изменения параметров (частоты, спектра и мощности) импульсных магнетронов от воздействия дестабилизирующих факторов. Параметры и характеристики, приня­ тые для оценки устойчивости импульсных магнетронов к дестабилизирующим факторам.

пых дестабилизирующих факторов (рис. 1.7) согласно предложенной классификации.

Для учета различных изменений параметров прибо­ ров СВЧ от воздействия дестабилизирующих факторов и степени их влияния на аппаратуру необходимо знать:

— пределы изменения дестабилизирующих факторов (температуры, давления, напряжения и т. п.) и закон их изменения;

—значение параметра, характеризующего устойчи­ вость прибора к дестабилизирующему фактору (темпера­ турный коэффициент частоты, барометрический коэф­ фициент частоты, электронное смещение частоты и т. п.), что обычно указывается в справочниках и технической документации;

—данные аппаратуры в отношении допустимых пре­ делов изменения параметров приборов при постоянной

настройке и при изменении питающих напряжений, а также инерционность систем автоматических регули­ ровок.

Проанализируем это применительно к радиолокаци­ онной станции с автоматической подстройкой частоты. Определяющим параметром в этом случае будет часто­

этом допущении наиболее достоверное результирующее значение изменения частоты от воздействия дестабили­ зирующих факторов может быть определено по средне­ квадратическому закону, а именно

Если пределы автоматической подстройки частоты станции, определяемые значением А, будут не меньше этой величины, то можно считать, что одно из необхо­ димых условий устойчивости работы станции будет удов­ летворено.

Следующим условием является соблюдение скорости

ше определенной величины В, связанной с инерцион­ ностью системы АПЧ.

31