книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

V. Заключение

Подводя итоги, можно сказать, что продвижение по пути генерирования больших мощностей СВЧ продол­ жается высокими темпами. Вполне возможно, что за однодва ближайших десятилетия существующие рекордные

ходная мощность при насыщении (характеристика входной мощности показана

уровни генерируемой мощности будут превышены более чем на порядок. Основой для этого послужат совершенст­ вование методов фокусировки пучков, для чего, возмож­ но, будут привлечены криогенная техника и очень силь­ ные магнитные поля, уменьшение ВЧ-потерь в системе и использование повышенных ускоряющих напряжений, ие приводящие, однако, к возникновению нестабильности.

Можно также с определенностью ожидать повышения к. п. д. до уровня 70—80%, хотя это продвижение будет более постепенным и потребует усложнения конструк­ ций, построенных с помощью методов расчета и модели­ рования на электронных вычислительных машинах.

К1уз1гоп, 1КЕ Тгапз. Е1еЫгоп Вео1сез%ЕО-5, рр. 306—315 (Ос1. 1958).

12.Р о Ь 1 АУ Л., А з1тр1Ше(1 теШо<1 1ог са1си1а1те К1уз1гоп реИогтапсе, 1&Е Тгапз. Е1ес1гопВеикез, ЕО-9, р. 32 (Лап. 1962).

(декабрь 1959).

тсез (в печати).

17.N е 15 о п С. О., С Ь о (1 о г о \у М., ЕНес!з оГ е1ес!гоп-Ъеат сопПпетеп! оп К1у5!гоп еШспепсу, 1ЕЕЕ Тгапз. ЕШгоп Вев1-

епсу К1уз!гоп атрППег, Ргос. 1п!егп. Соп^г., 5!Ь, Рапз, Зер!. 1965, рр. 234—238, №\у Уогк, Асаё. Ргезз, 1965.

27.АУ е I з з Н. О., ТЬе‘Ьауз!аск гт'сго\уауе гезеагсЬ ГасПНу, 1ЕЕЕ ЗреЫгит, 2, рр. 50—69 (РеЬг. 1965).

42.С Ь о (1 о г о \у М., К и 1 к е В., Ап ехкепдес! шкегаскюп Юузк- гоп-ЕШс1епсу апс! Ьапс1-\У1(Ш1, 1ЕЕЕ Тгапз. Е1ес1гоп Оеокез,

46.Н е а к Ь с о к е V. А. ек а1., РепосНса11у-1оас1е<1 кгауеПп&шауе ти111р1е-Ьеат Юузкгоп, Ргос. 1ЕЕ, 105, Рк. В (Мау 1958).

2.6. МОЩНЫЕ ТРИОДЫ

Б е г е , Л а в у

I.Введение

Втечение многих лет триодные электронные лампы использовались в качестве источников энергии непрерыв­

ного действия на частотах ниже 500 Мгц> В диапазоне СВЧ их использовали главным образом в качестве мощ­ ных импульсных генераторов, так как энергия, которую можно было получить от триодов в непрерывном режиме, оказывалась дороже энергии, полученной от других приборов СВЧ. В последнее время, однако, применение катодов, способных работать при больших средних то­ ках, позволило рассматривать триоды как экономичные источники энергии диапазона СВЧ. В этом разделе мы будем иметь дело в основном с такого рода высокоэффек­ тивными лампами, опишем их общую конструкцию, схе­ мы, характеристики и отметим потенциальные возмож­ ности более широкого применения сеточных ламп на сверхвысоких частотах.

Триод — это эффективный мощный прибор СВЧ, ко­ торый, кроме того, удобен в эксплуатации, так как в принципе для него не требуются ни магнитное поле, ни стабилизированный источник питания. Он может быть сконструирован для работы с внешним (невакуумным) резонатором, что позволяет избежать замены резонатора при выходе из строя самого триода. В массовом производ­ стве стоимость триодов может быть сравнительно неболь­ шой.

Триод состоит из источника электронов (катода), управляющей сетки, расположенной близ катода и моду­ лирующей облако пространственного заряда у катода, и анода, собирающего электроны. В отличие от клистрона, где электроны сначала модулируются по скорости, а за ­ тем после дрейфа создают модуляцию заряда по плотности, управляющая сетка триода сразу же модулирует заряд по плотности. Поэтому, чтобы избежать вредных эффек-

тов, связанных с временем пролета, электроны должны быстро пересекать как входной, так и выходной проме­ жутки триода, рассчитанного на работу в диапазоне СВЧ. Если время пролета промежутка катод — сетка велико, то происходит нагрев катода под действием обрат­ ной бомбардировки возвращающимися электронами. Уве­ личение пролетного времени в пространстве сетка — анод проявляется в уменьшении тока, индуцированного в анодно-сеточном контуре [1].

Источником энергии, преобразующейся в энергию СВЧ, служит источник анодного питания. Электроны, движущиеся ускоренно к аноду, приобретают значитель­ ную кинетическую энергию. Если правильно выбрать импеданс нагрузки анодно-сеточного контура, то пакеты электронов, сформированные управляющей сеткой, мож­ но замедлить (относительно режима без нагрузки) до попадания на анод, так что часть этой кинетической энергии потока преобразуется в полезную энергию ВЧколебаний. Остальная энергия электронов выделяется в виде тепла на поверхности анода и должна быть рас­ сеяна.

Выходная мощность СВЧ, которую можно получить от такого триода, зависит от трех основных характеристик конструкции. Одна из них — физический размер катода. Обычно катод делают настолько большим, насколько это допускается увеличением различных межэлектродных ем­ костей и необходимостью получения заданной максималь­ ной частоты. Вторая характеристика — способность анода рассеивать тепло, ее стремятся сделать максимальной. Третий фактор — тепловые и механические свойства управляющей сетки, которые должны обеспечить доста­ точно высокую формоустойчивость сетки, чтобы ее можно было монтировать вблизи катода и тем самым уменьшать пролетные эффекты. Кроме того, конструкция сетки

в последнее время катодов с повышенной эмиссионной способностью и разработка сеточных и анодных струк­ тур, способных рассеивать большие мощности, создало базу для разработок новых более мощных и более высоко­ частотных сеточных ламп.

II.Старые конструкции мощных триодов

А.Триоды в стеклянном оформлении. С самых пер­ вых дней развития радиотехники триоды верно служили ей в качестве мощных генераторов "и усилителей. Лампы тогда делались в стеклянном оформлении и во многих

отношениях представляли собой просто модификацию стеклянных приемно-усилительных ламп. В приборах, способных рассеивать повышенную мощность, анод вы­ полняли в виде части оболочки лампы, так что его по­ верхность можно было непосредственно охлаждать воз­ духом или водой. Лампы этого типа служили основным источником получения мощности на частотах ниже 100 Мгц. Триоды других типов, предназначавшиеся специально для работы с двухпроводными передающими линиями, позволяли получить требуемую выходную мощ­ ность на частотах до 700 Мгц [21.

Б. Триоды с дисковыми впаями. Развитие радиолока­ ции в период второй мировой войны создало острый спрос на мощные генераторы, работающие в диапазоне частот от 300 до 3000 Мгц и выше. Этот спрос был удовлетво­ рен выпуском триодов с дисковыми впаями [31. В при­ борах такого типа выводы электродов имели форму ме­ таллических дисков или цилиндров, образующих часть рабочего резонансного контура1). Дисковые выводы имели значительно пониженную индуктивность и благодаря этому позволяли лампе работать на существенно более высоких частотах. Триоды этого типа (например, триод 2С39) дали возможность получить мощность в несколько ватт на частотах до 3 Ггц. Более поздние варианты триода 2С39 использовались для передачи изображений поверх­ ности Луны с космических аппаратов на Землю. Их мощ­ ность составляла 60 вт на частоте 960 Мгц [41.

Более крупные приборы с дисковыми впаями способ­ ны отдавать мощность 5—10 кет на частотах 700— 900 Мгц [5]. А такие малогабаритные триоды, как ОЬ-7391, позволяют получать мощность порядка 0,1 вт на ча­ стотах до 6 Ггц.)*

*) Идея совмещения триода с полым резонатором была выдви­ нута и реализована Девятковым Н. Д. и его сотр. в 1938—1940 гг., т. е. на несколько лет ранее опубликования работы [31.— Прим, ред.

III.Эффективные титано-керамические триоды

А.Выбор материалов и технология сборки. За истек­ шее десятилетие применение новых конструкционных ма­

териалов, новой технологии откачки и сборки в сочетании с новыми представлениями о поверхностных явлениях привело к улучшению параметров триодов с оксидным катодом почти на порядок величины. Электроды и выводы этих ламп делают из тугоплавких металлов, которые мож­ но нагреть при обработке и откачке до высоких темпера­ тур и тщательно обезгазить. Основную часть корпуса лампы и электроды изготовляют из титана [6]. Этот ма­ териал, нагреваясь при нормальной работе, стремится поглощать, а не выделять газы. Таким образом, внутриламповые поверхности титановых деталей способствуют поддержанию внутри лампы высокого вакуума, по­ глощая небольшие количества газов, остающиеся внутри лампы после откачки или выделяющиеся во время ра­ боты.

Изолирующие и конструкционные детали прибора изготовляют из керамических материалов. Эти материалы специально обрабатывают так, чтобы они не содержали диссоциирующих и других компонентов, вредно влияю­ щих на эмиссию катода [7]. Металлические и керамиче­ ские детали корпуса и электродов прибора собирают в пакет (столбиком, одну деталь на другую), а затем сва­ ривают между собой в вакууме, при температуре около 1000 °С, проводя одновременно сборку и обработку лам­ пы [8]. Операции нагрева, проводящиеся до операции сварки металла с керамикой, имеют целью тщательно обезгазить детали лампы, провести разложение и активи­ рование катода.

Б. Характеристики катода. Использование чистых ту­ гоплавких материалов и проведение процессов обезгаживания и откачки при высоких температурах создает от­ личные условия для работы оксидного катода [91. Благо­ даря меньшему содержанию газов в лампах и понижен­ ному уровню вредных для катода газообразных и дру­ гих компонентов уровень термоэлектронной эмиссии мо­ жет быть значительно выше, чем в лампах, изготовленных по обычной технологии из обычных материалов.

Исследователи фирмы «Дженерал электрик» неодно­ кратно приходили к выводу, что полезный уровень плот­ ности тока оксидного катода в лампах титано-керамиче­ ской конструкции может достигать 2 а /с м 2 . Сравнительно недавно такие же результаты получили и другие исследо­ ватели [10]. Ведутся эксперименты с катодами, которые могли бы работать при плотностях тока 10 а/см2 и выше Ц1|. Использование катодов, способных работать при плотностях тока 2 а/см2 и выше позволяет значительно улучшить характеристики триодов СВЧ и других сеточ­ ных ламп.

Ниже будет более подробно рассмотрен недавно разра­ ботанный триод Ь-65/У14300 как типичный пример того, чего можно достичь при плотности тока катода 2 а/см2. Этот новый триод СВЧ [12] имеет несколько меньшие размеры и вес, чем обычный триод 2С39-В (фиг. 1), но так как ток катода у него может быть в 10 раз больше, он имеет в 10 раз большую крутизну и выходную мощность. В иизкоимпедансных или широкополосных схемах этот триод позволяет достичь приблизительно в 10 раз боль­ шего усиления.

В. Конструкция триода. Сечение триода, из которого видно его внутреннее строение, приведено на фиг. 2. Подогреватель прикреплен непосредственно к нижней поверхности катодного диска. В верхней поверхности катода имеются канавки, в которые входят ребра крепле­ ния сетки. Катодно-подогревательный узел поддержи­ вается цилиндром из тонкого гафния. Гафний — туго­ плавкий металл, имеющий сравнительно низкую тепло­ проводность и малый коэффициент линейного расшире­ ния. Благодаря этим свойствам крепление катода полу­ чается прочным и устойчивым и позволяет расположить сетку в непосредственной близости от поверхности катода, что дает малое пролетное время.

а) Индексом Ь обозначаются лампы Центра исследовании и раз­ работок электровакуумных приборов фирмы «Дженерал электрик»; индекс У.— обозначение технического отдела, утвержденное отде­ лом электровакуумных приборов тон же фирмы (Оуэнсборо, шт. Кентукки). Экспериментальная работа по триодам Ь-65, 1.-64 и 1.-62 проводилась частично по заказу Командования электроники Армии США (Форт-Монмут, шт. Ныо-Джерси).