книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот

Система также окажется устойчивой, если быстрые кратковременные обратимые изменения частоты С не окажут воздействия на систему.

Наконец, пределы регулировок станции D должны обеспечивать изменение частоты в процессе срока служ­ бы прибора Д/.

Таким образом, для аппаратуры будет обеспечена устойчивая работа, если абсолютные изменения и ско­ рость изменения параметров приборов СВЧ будут опре­ деленным образом сопрягаться с постоянными аппара­ туры: Л, В, С и D.

В рассмотренном случае условия сопряжения прибо­ ров с аппаратурой будут определяться выражениями:

Более строгое решение задачи устойчивости аппара­ туры при воздействии на приборы СВЧ дестабилизирую­ щих факторов требует привлечения методов, разрабо­ танных А. М. Ляпуновым [19] в теории устойчивости движения с привлечением статистических законов учета изменений параметров от дестабилизирующих воздей­ ствий. В этом отношении могут оказаться полезными ра­ боты о статистическом рассмотрении динамических си­ стем [20] и доклады на 1 Международном конгрессе Международной федерации по автоматическому управ­ лению (ИФАК) [21].

ких частот. Изд-во «Советское радио», '1955.

4.К а л и н и н В. И. Генерирование дециметровых и сантимет­ ровых волн. Связьиздат, 1948.

5.Н е й м а и М. С. Трнодные и тетродные генераторы сверх­ высоких частот. Изд-во «Советское радию», 1950.

6. Л о и у х и н В. М. Возбуждение электромагнитных колебаний и волн электронными потоками. Гостехиздат, il953.

32

7.Г в о з д о в е р ■С. Д . Теория электронных приборов сверх­ высоких частот. Гостехнздат, 1952.

8.Б ы ч к о в С. И. 'Вопросы теории ад 'Практического примене­ ния .многорезонаторных магнетронов. ЛКВВИА им. Можайского, 1958.

dernes pour micro-oudcs,’Convegue di Electronica e Telewisione, Mi­ lano. 1954, p. 706.

тическом рассмотрении динамических систем. ЖЭ и ТФ, 3, 4933,

№3.

21. Статистические методы исследования. Теория структур, м оде-. лнрование, терминология, оборудование, Труды 4 Международной

Стабилизация частоты генераторов СВЧ. Изд-во «Советское радио», 1962.

24. Проект ГОСТ «Приборы электровакуумные» '(Классифика­ ция, термины, определения)», составленный С. А. Оболенским, изд. Ленинградского электровакуумного завода «Светлана», 1941.

33

ГЛАВА 2

ТРИОДЫ И РАЗНОВИДНОСТИ ЛАМП С СЕТКАМИ ДЛЯ ДИАПАЗОНА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

На протяжении последних 10—15 лет высказывались мнения о том, что «век» триодов и других ламп с сетка­ ми для диапазона сверхвысоких частот вот-вот должен кончиться. Однако и поныне они прочно занимают свое место среди других электронных приборов. Свидетель­ ством этого является достаточно большой спрос, особен­ но на триоды СВЧ, совершенствование их серийного производства и непрерывное проведение новых разра­ боток, направленных на повышение эффективности и надежности работы триодов все в более коротковолно­ вой части сантиметрового диапазона волн и дальнейшее наращивание их мощности в освоенных диапазонах волн.

Ниже будет приведен анализ применения триодов в генераторах сверхвысоких частот, предназначенных для непрерывного и импульсного режимов работы в раз­ нообразных условиях использования.

Затрагиваются также вопросы применения ламп с сетками в качестве усилителей СВЧ, умножителей ча­ стоты и детекторов.

Более подробно будут рассмотрены свойства трио­ дов СВЧ при работе в предельных режимах, а также оценены преимущества и недостатки триодов СВЧ и на­ метившиеся тенденции в развитии данного класса при­ боров.

2.1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ СОВРЕМЕННЫХ ТРИОДОВ СВЧ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

В 1936—1939 гг. были разработаны триоды так назы­ ваемой «пуговичной» конструкции, обеспечивающие от­ даваемую мощность 15—5 вт на частотах 500—700 Мгц.

34

в виде двухпроводной линии. Такие линии затрудняли сопряжение лампы с контуром и приводили к большим потерям в переходных контактах и на излучение.

Триоды же маячковой конструкции и в металло-ке­ рамическом оформлении типа -6С5Д, ГИ-14Б, ГИ-12Б, 2С-38 и др. предназначаются для контуров в виде коакси­ альной линии, что позволило существенно снизить поте­ ри за 'счет элементов конструкции колебательных систем и, таким образом, повысить эффективность работы трио­ дов >в диапазоне сверхвысоких частот {3].

Создание миниатюрных триодов в стеклянном и ме­ талло-керамическом оформлении типа ГС-4, 6CI7K, 6ВУ4, BTL-1553 и др. с резко уменьшенными расстоя­ ниями между электродами и потерями в диэлектрике, пригодных для .расположения в контурах в виде объем­ ных резонаторов и полосковых передающих линий, ока­ залось дальнейшим шагом в деле разработки триодов для более коротких длин волн.

Наряду с расширением частотного диапазона и уве­ личением уровня отдаваемой мощности триодов шел процесс повышения их срока службы, темпер атуростойкости, надежности с учетом использования триодов в наземной, корабельной и авиационной радиоэлектрон­ ной аппаратуре, а также в бортовой аппаратуре ракет и искусственных. спутников.

Схемы триодных генераторов СВЧ в принципиаль­ ном отношении имеют отличительные особенности по сравнению с триодными генераторами низких частот [4, 5]. Эти -особенности связаны с конструктивными эле­ ментами лампы, контура и обратной связи. Для низких частот к электродам триода необходимо подключить по меньшей мере три реактивных сопротивления, которые могут образовывать контур, настроенный на частоту ге­ нерируемых колебаний, и обратную связь. В диапазоне СВЧ лампа и контур образуют единое целое. Благодаря этому триодный генератор СВЧ аналогично генерато­ рам на низких частотах с самовозбуждением может быть построен при подключении к триоду всего двух реактивных сопротивлений, роль третьего реактивного сопротивления выполняет сама лампа (междуэлектродные емкости).

Имеются три возможных способа подключения ре­ активных сопротивлений к электродам триода, что по-

36

зволяет конструировать триодиые генераторы по трем различным схемам, а именно: с общйми сеткой (рис. 2.2,а), анодом (рис. 2.2,6) и катодом (рис. 2.2,а).

Включение реактивных сопротивлений в цепь катода (Хк), анода {Ха) и сетки (Хе) часто по конструктивным соображениям целесообразно производить с одной сто­ роны к электродам лампы, с другой — к корпусу монта­ жа схемы («заземление»). По этой причине (благодаря значительным индуктивностям в цепи катода большин­ ства триодов СВЧ) схема, «приведенная на -рис. 2.2,в, яв-

Рис. 2.2. Принципиальные схемы триодных генераторов.

ляется наименее предпочтительной. Более широкое при­ менение в диапазоне СВЧ находят схемы, представлен­ ные на рис. 2.2,а « б.

В схемах с общими сеткой и анодом установка ча­ стоты в основном определяется анодно-сеточной реактив­ ностью A'a, в то время как катодно-сеточная реактивность и междуэлектродные емкости служат для регулировки обратной связи.

Реактивные сопротивления Ха, Xg и AK в диапазоне СВЧ выполняются в виде отрезков коаксиальных линий, объемных резонаторов и реже в виде двухпроводных линий.

С целью уменьшения индуктивностей вводов электро­ дов и удобства сочленения с колебательными система­ ми в виде коаксиальных • линий и объемных резонато­ ров триоды СВЧ в большинстве случаев конструируются с дисковыми или цилиндрическими выводами. Для уменьшения междуэлектродных емкостей и ослабления

37

влияния инерции электронов на эффективность работы триодного генератора СВЧ расстояние между электро­ дами выбирается компромиссным путем. Малые рас­ стояния между электродами (десятки и сотни микрон) при высокой точности установки их от лампы к лампе (для обеспечения взаимозаменяемости ламп в аппара­ туре) заставляют применять плоскопараллельную систе­

му электродов.

В этом случае величина междуэлектродной емко­ сти С (пф) и угол пролета электронов между электро­ дами Ф (рад) определяются выражениями

U— напряжение, приложенное к электродам, в; f — частота, Мгц;

"Гфикт — время пролета электронов между электродами (без учета фазы вылета электронов из като­ да), сек;

е— относительная диэлектрическая проницаемость среды (при отсутствии электронного тока е= 1).

Выражения (2.1) позволяют производить ориентиро­ вочный расчет геометрии электродов с учетом питающих напряжений и частоты генерируемых колебаний. Наобо­ рот, зная геометрические размеры лампы, согласно вы­ ражениям (2.1) можно оценить предельные значения параметров лампы.

Таким образом, для ориентировочного расчета трио­ дов СВЧ могут быть использованы законы подобия.

Зависимость между величинами напряжения, часто­ тами и расстояниями, которые электрон пройдет за дан­ ный отрезок времени, можно определить из уравнения движения электрона под действием электрического по­ ля, а именно:

где е и т — заряд и масса электрона;

38

Е— напряженность электрического поля, НоД действием которой электрон перемещается

вдоль координаты х ^ £ = -^ -, где U — на­

пряжение, приложенное между электрода­ ми, расположенными на расстоянии d).

По размерности уравнение (2.2) определяется выра­ жением вида

друг от друга по геометрическим размерам в п раз, на­ пряжения, прикладываемые к электродам, должны быть изменены в п2 раз.

С учетом мощности рассеивания на электродах, до­ пустимой плотности тока катода ^Ук= ~ - , где 5К —

площадь катода) и величины переменного напряжения на управляющей сетке Ue, которая ограничивается элек­ трической прочностью, для каждого триода может быть вычислена своя предельная длина волны, ниже которой он не может быть использован по причине резкого паде­ ния эффективности генератора (к. п. д. и отдаваемой мощности). Предельные длины волн триодных генерато­ ров были оценены в работах Л. А. Котоминой и М. С. Неймана [7, 29]. Приближенный расчет предель­ ных длин волн триодов может быть определен из усло­ вий времени пробега электронов от катода до сетки и максимально допустимого значения плотности тока ка­ тода, а именно:

напряжения на

сетке, в;

39

Расчет величины выходной мощности для предельной длины волны триодного генератора может быть произве­ ден по геометрическим размерам триода, определимым предельно допустимой мощностью рассеивания и ампли­ тудой переменной составляющей напряжения на управ­ ляющей сетке лампы.

Частотная граница для современных триодов, ис­ пользуемых в генераторах СВЧ, может быть определе­ на данными, указанными в табл. 2.1 (с учетом коэффи­ циента полезного действия триодных генераторов при различных уровнях отдаваемой мощности).

Т а б л и ц а 2.1

Область применения триодных генераторов СВЧ по уровню

Данные наиболее распространенных отечественных н зарубежных триодов СВЧ по величине мощности и к. п. д. в |рабочих диапазонах частот показаны на рис. 2.3 и 2.4. Здесь не рассматриваются сверхмощные триоды, хотя известны данные о достижении в па-

4 0

300x8т

41