книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот

фотографий электродов по конфигурации напылённогб материала и «островков» на катоде позволяет оценить ха­ рактер процессов, происходящих а динамическом режиме работы триодов СВЧ. Подобные экспериментальные данные могут быть лолезными для уточнения теоретиче­

фотографии катода, сетки и анода с ярко выраженными разрушениями оксидного слоя катода и напылением на аноде (дан участок сетки лампы, не испытывавшейся на срок службы). С помощью этих микрофотографий в триоде можно достаточно строго представить потоки электронов в лампе и характер высокочастотных полей в ней в тех режимах, в которых она использовалась в те­ чение длительного времени.

Таким образом, проведенные исследования использо­ вания лампы 6С5Д позволяют сделать следующие вы­ воды:

—отклонения от допустимого режима работы трио­ да СВЧ по величине плотности тока, снимаемой с по­ верхности катода, величине анодного напряжения, ви­ брационным перегрузкам, температуре электродов и т. п. приводят к резкому снижению устойчивости и эксплуа­ тационной надежности триодного генератора;

—повышенная плотность тока катода в импульсе вызывает интенсивное разрушение оксидного слоя като­

да и чрезмерное напыление материала катода на сетки

и.анод, что приводит к снижению срока службы триода

ибольшому изменению частоты генерируемых колеба­ ний в течение непродолжительного времени работы ге­ нератора;

—каждый случай особого применения триодов сверхвысоких частот требует тщательного всестороннего обследования, с тем чтобы при массовой и продолжи­ тельной эксплуатации аппаратуры недостатки примене­

6С5Д в рассмотренном выше импульсном режиме был разработан специальный триод, получивший в последую­ щем обозначение 6С10Д. В этом триоде была увеличе­ на поверхность катода, изменены расстояния между электродами, улучшен отвод тепла с анода. Все это по­ зволило резко повысить надежность триодного генерато-

72

ра, получив срок службы свыше 500 час при заданных критериях годности по стабильности частоты и выходной мощности^

2.3. ДИОДЫ И РАЗНОВИДНОСТИ ЛАМП СВЧ С СЕТКАМИ.

ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Основное внимание в данной главе уделено изучению

распространенных ламп с сетками. Специально разрабо­ танные триоды могут быть достаточно эффективно использованы в диапазоне-сверхвысоких частот для уси­ ления слабых сигналов (сигналов, соизмеримых с уров­ нем флюктуационных шумов),умножения частоты, а так­ же в многокаскадных усилителях большой мощности.

Подобные широкие возможности применения триодов СВЧ неразрывно связаны с успехами, достигнутыми в области конструирования и технологии изготовления сверхвысокочастотных электровакуумных приборов во­ обще. Благодаря этому удалось создать другие виды ламп СВЧ с сетками, точнее ламп с управляемым про­ странственным зарядом. Роль сетки можег выполнять рамка, стержни и электроды другого вида, обеспечи­ вающие формирование и управление электронным по­ током в лампе. К таким лампам относятся малошумящие усилительные триоды и мощные тетроды.

Для детектирования и преобразования в диапазоне СВЧ достаточно эффективными являются диоды в стек­ лянном и керамическом оформлении.

Диоды СВЧ, в принципе, представляя собой простей­ шие лампы с управляемым пространственным зарядом, однако сложны в изготовлении в связи с предъявляемы­ ми высокими требованиями к входной емкости, вольтамперной характеристике и допускам на разброс пара­ метров.

Кратко рассмотрим область применения каждого из названных электровакуумных приборов, затронув основ­ ные элементы их конструкции и особенности работы в диапазоне сверхвысоких частот.

73

Диоды в качестве смесителей и детекторов СВЧ

Диоды «классического» типа применяются в качестве смесителей сверхвысоких частот на частотах ниже 500—

Рис. 2.29. Схема включения диода в качестве смесителя.

1000 Мгц. Один из способов включения диода как сме­ сителя показан на рис. 2.29.

Преобразовательные свойства диодов значительно уступают кристаллическим смесителям, что прежде все-

Рнс. 2.30. Вид вольтамперных характеристик вакуум­ ного диода и кристаллического детектора.

го следует из рассмотрения вольтамшерных характери­ стик (рис. 2.30).

Диоды также имеют значительно более худший фак­ тор шумов на СВЧ по сравнению с кристаллическими

74

детекторами. Достоинство диодов перед кристалличе­ скими детекторами состоит в том, что они не боятся электрических перегрузок, в то время как кристалличе­ ские детекторы выходят из строя при сравнительно ма­ лых уровнях мощности. Кроме того, для диодов вольт-

Рис. 2.31. Последовательная (а) и параллельная (б) схемы диодных детекторов.

амперная характеристика должна сохранять свой вид в течение длительного времени, удовлетворяя заданно­

нашли широкое распространение в качестве детекторов в измерительных приборах.

Рис. 2.32. Эквивалентная схема диода на СВЧ.

Имеются две основные схемы включения диодных детекторов: последовательное и параллельное включе­ ние относительно нагрузки (рис. 2.31).

Сам диод на сверхвысоких частотах представляет собой достаточно сложную колебательную цепь, эквива­ лентная схема которой показана на рис. 2.32.

На передачу неискаженной величины напряжения по амплитуде (Ui = U2) играют роль два фактора: собствен­ ный резонанс колебательной цепи диода и инерция электрона. Первый фактор является основным, так как он имеет существенное значение при любых напряжени-

7П

ях, обычно приводит к завышению измеряемого напря­ жения. Второй фактор занижает измеряемые напряже­ ния; при напряжениях свыше 30—50 в погрешностью,

Рис. 2.33. Характер изменения по­ грешности измерений за счет влияния собственных резонансов диода (/) и инерции электронов (2).

обусловленной им при измерении, молено пренебречь. Влияние обоих факторов на погрешности измерения AU показано на рис. 2.33.

Количественное влияние собственного резонанса ре­ активных элементов диода может быть оценено соотно­ шением [17]

где Ло — резонансная длина волны;

X— длина волны измеряемых колебаний. Ориентировочно граничная длина волны для диодов

В табл. 2.5 приведены основные данные отдельных диодов СВЧ [18].

Расстояние между катодом и анодом в измеритель­ ных диодах составляет. 60—80 мк, что и позволяет су­ щественно ослабить влияние инерции электронов на по­ грешность измерения напряжений.

76

Триоды в качестве усилителей и умножителей СВЧ

Сравнительно низкие рабочие напряжения и высо­ кий к. п. д. делают целесообразным в ряде случаев при­ менять на сверхвысоких частотах триоды в качестве усилителей, не прибегая к таким приборам, как кли­ строны и ЛБВ.

При этом следует различать два вида усилителей СВЧ на триодах: усилители мощности и усилители сла­ бых сигналов. Для первых усилителей главными пара­ метрами являются коэффициент усиления и выходная мощность, для вторых — коэффициент шума и, в извест­ ной мере, также коэффициент усиления.

В настоящее время триоды в качестве усилителей применяются вплоть до сантиметрового диапазона волн (на волнах длиннее 10—7,5 см).

Следует отметить, что конструкция триодов с диско­ выми и цилиндрическими выводами позволяет исполь­ зовать их с контурами в виде коаксиальных линий и объ­ емных резонаторов в схемах с заземленной сеткой. Ма­ лая емкость катод — анод, обеспечивающая слабую связь между катодным и анодным контурами, наделяет усилитель с заземленной сеткой стабильными характе­ ристиками.

■77

Рассмотрим некоторые конструкции триодов, исполь­ зуемых в качестве усилителей СВЧ, и их основные данные.

Прежде всего следует отметить, что для этой цели широко используются металло-керамические лампы и триоды с дисковыми выводами, краткое описание кото­ рых было приведено выше. Здесь остановимся на одних сравнительно новых моделях аналогичных триодов СВЧ. Например, триоды, выпускаемые фирмой Philips типа ЕС-56 и ЕС-57, по своей конструкции близки к лам­

пам типа 6С5Д и 6С10Д. У этих ламп расстояние между катодом и 'сеткой при накаленном катоде составляет около 10 мк, между анодом и сеткой 230 мк. Лампы имеют L-катод, обладающий:

— большой долговеч­ ностью -при высокой плот­ ности тока эмиссии;

— способностью быст­

Рис. 2.34. Конструкция /.-катода. ро активироваться после пробоев;

— высокой устойчивостью к сильной ионной и электронной бомбардировке.

Конструктивно L-катод выполнен следующим обра­ зом (рис. 2.34). При'раскаленном подогревателе окись бария испаряется и диффундирует через поры колпач­ ка, восстанавливаясь вольфрамом в барий. На поверхно­ сти катода образуется слой бария, являющийся источни­ ком эмиссии.

Преимущества L-катода по сравнению с оксидным катодом для СВЧ прибора состоят также в том, что:

—гладкая поверхность катода позволяет резко со­ кратить расстояние катод — сетка, уменьшить время про­ лета электронов и получить высокое эквивалентное со­ противление на сетке;

—минимум потенциала, расположенный вблизи ка­

тода, обеспечивает малые эмиссионные шумы;

— высокое отношение крутизны к емкости обеспе­

чивает высокие значения фактора k y c А/»

78

где kyc — коэффициент усиления; Af — ширина полосы;

— отсутствие оксидного покрытия' обеспечивает ма­ лые потери в лампе.

Принципиальная схема усилителя СВЧ с общей сет­ кой показана на рис. 2.35. Подобный усилитель для диа­ пазона волн до 7,5 см может быть собран на лампах

Рис. 2.35. Принципиальная схема триодного усилите­ ля с общей сеткой.

ЕС-56 и ЕС-57. В литературе дается описание аналогич­ ного усилителя, перестраиваемого в пределах от 3600 до 4300 Мгц и имеющего ширину полосы пропускания 100 Мгц [19]. Усилитель имеет контура в виде объемного

79

резонатора, вход и выход усилителя волноводные. На рис. 2.36 и 2.37 приведены типовые зависимости коэф­ фициента усиления по мощности и ширины полосы от частоты.

V»*

го

15

W 5

О

Рис. 2.36. Зависимость коэффициента усиления от частоты для лампы ЕС-57.

Подобные триоды надежны в эксплуатации и обла­ дают большим сроком службы. Например, фирма Ашрегех рекомендует триоды типа ЕС-157, имеющие срок

100

{‘i f

80

во

'Кус ио

20

3600 3800 то т о ш о f.Mzu.

Рис. 2.37. Зависимость полосы пропуска­ ния и коэффициента усиления от частоты в диапазоне перестройки генератора на лампе ЕС-57.

службы 10 000 час и обладающие усилением 18— 19 дб на частоте 4000 Мгц при выходной мощности 0,5 вт (предельная частота триода 6 000 Мгц) (42].

80

При использовании триодов в качестве входных уси­ лителен (усилителей слабых сигналов) основное внима­ ние уделяется уровню внутренних шумов. За последнее время установлено, что при разумном конструировании, поддержании хорошего вакуума и правильной настрой­ ке схемы лампы с управляемым пространственным заря­ дом дают малый уровень шумов в диапазоне СВЧ.

Из опубликованных данных примером малошумящего триода может служить лампа GL-6299 фирмы Gene­ ral Electric (США) и отечествен­

ная лампа 6С17К, представляю­ щие собой лампы металло-кера­ мической конструкции сверхми­ ниатюрных размеров и требую­ щие источники питания, анало­ гичные обычным приемо-усили­ тельным лампам.

Конструкция этих ламп при­ ведена на рис. 2.38 и отличается от обычных металло-керамических ламп резко уменьшенным разме­ ром (общая длина равна 20 мм, наибольший диаметр 12 мм). Расстояние между катодом и сет­

кой в разогретом состоянии составляет 15 мк, а между сеткой и анодом — 125 ч-300 мк.

Технология изготовления ламп подобной конструк­ ции требует очень высокой культуры электровакуумно­ го производства.

О свойствах триода GL-6299 в режиме усиления сла­ бых сигналов можно судить по кривым зависимости ко­ эффициента шума (km) и усиления (£ус), приведенным на рис. 2.39.

Триоды СВЧ, являясь наиболее универсальными при­

в качестве ограничителей, реактивных сопротивлений, переключателей и т. п.

Подобные возможности триода связаны с их нели­ нейными свойствами, которые существенно изменяются от -режима работы (приложенных напряжений) и схе­ мы включения (сопряжения с линейными элементами

L, С, R).