книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

пульсные мощности 1—5 кет на частотах до 3 Гец. Этот уровень импульсной мощности можно еще повысить, если воспользоваться более новыми конструкциями трио­ дов СВЧ, имеющих повышенную мощность в непрерыв­ ном режиме. Однако эффект в импульсном режиме будет меньшим, чем в непрерывном, так как основой повышения мощности этих более новых триодов является их способ­ ность работать при среднем токе катода, значение кото­ рого ближе к максимальному импульсному току, чем у более старых ламп. В тех же применениях, где нужны длинные импульсы.и режим работы становится похожим на непрерывный с короткими паузами, новые лампы, спо­ собные работать при' повышенных плотностях тока, дают существенные преимущества. Именно этой повышенной эмиссионной способностью объясняются в основном боль­ шие мощности, полученные для импульсов длительностью 500 мксек при коэффициенте заполнения 0,07 в широкой полосе частот (см. раздел Ж ) -

Импульсный режим можно получить, подавая импуль­ сы по цепи анодного питания пли по цепи сетки. Когда лампы пригодны для работы в режиме сеточной модуля­ ции, от источника модулирующих импульсов потребуется значительно меньшая мощность, чем в случае анодной модуляции. Сеточная модуляция стала особенно привле­ кательной в связи с разработкой мощных транзисторов для целей коммутации. В качестве примера в первую оче­ редь можно указать на такие применения высокоэффек­ тивных ламп, где отсечка анодного тока происходит при небольшом или среднем напряжении на сетке, благодаря чему упрощаются требования, предъявляемые к переклю­ чающему прибору. Полупроводниковый модулятор вы­ годно использовать, кроме того, в режимах длинных им­ пульсов, при которых время задержки включения и вы­ ключения транзисторного ключа играет меньшую роль.

Типичная схема сеточной модуляции показана на фиг. 8. В схеме мультивибратора имеется регулировка длительности импульса и коэффициента заполнения. Кас­ кад усиления на транзисторе 2Ы384 служит для того, чтобы выходной транзистор возбуждался до насыщения. Выходной транзистор 2Ы2147 пригоден для работы с трио­ дами, у которых напряжение отсечки анодного тока не

превышает 45 в. Если же напряжение отсечки должно быть больше 45 в, то можно воспользоваться транзисто­ ром 2Ш147.

Для осуществления импульсной модуляции какоголибо вспомогательного оборудования в схему, изображен­ ную на фиг. 8, можно добавить еще по одному усилитель-

ному и выходному каскаду. Несколько диодов в выход­ ном каскаде выполняют защитные функции, кроме дио­ да в коллекторной цепи, который обеспечивает смещение транзистора 2Ш147 при напряжениях смещения на лампе свыше 75 в. Этот диод вводят в схему только при исполь­ зовании транзистора 2Ы3147. Чтобы скомпенсировать падение напряжения в модуляторе из-за диода и тран­ зистора, последовательно с выходом модулятора можно включить батарейку на 1,5 в.

Л. Допустимые параметры внешней среды. Триод Ь-65 и другие лампы подобной конструкции чрезвычайно устойчивы к воздействию высоких температур и интен­ сивных ядериых излучений. Так, например, эти лампы

способны проработать при атмосферном давлении и тем­ пературе 600 °С тысячи часов или несколько часов при температуре 800 °С [15]. Кроме того, титано-керамические лампы проработали в течение 1600 нас внутри действую­ щего атомного реактора, где они подверглись воздействию интегральной дозы облучения 1018 тепловых нейтронов. Способность этих ламп выдерживать такие высокие тем­ пературы и интенсивную радиацию делает их очень важ­ ными приборами как для обычных, так и многих спе­ циальных применений.

М.Автоматическое регулирование температуры катода.

Втриодах и тетродах, работающих на сверхвысоких ча­ стотах, катод испытывает нагрев под действием электро­ нов, ускоряющихся к катоду. Энергия бомбардировки этими электронами может быть весьма ощутимой и будет вызывать нагрев катода, если не понизить в соответствую­

щей мере мощность в цепи накала.

Механически связанная конструкция катодно-подогре­ вательного узла в лампах Ь-65 и Ь-64 обусловливает тес­ ный тепловой контакт подогревателя и катода, в резуль­ тате которого они работают приблизительно приходной и той же температуре. В таких лампах температурой катода можно управлять, меняя температуру подогрева­ теля. Сопротивление вольфрамовой проволоки, из кото­ рой делают подогреватель, является чувствительной функ­ цией температуры; поэтому, если поддерживать постоянным

.сопротивление подогревателя с помощью автоматиче­ ской схемы стабилизации тока подогревателя, темпе­ ратура катода также будет оставаться постоянной.

Схема, примененная для такой стабилизации по со­ противлению подогревателя, приведена на фиг. 9. По существу это мостик Уитстона, в одно из плеч которого включен подогреватель. В таком мостике сигнал разба­ ланса (вблизи положения равновесия) пропорционален изменению сопротивления одного из плеч. В диагональ моста последовательно с источником питания включен транзистор 2Ы277. Сигнал разбаланса, возникающий при изменении сопротивления подогревателя, действует та­ ким образом, что последовательно включенный транзи­

по току трехкаскадного транзисторного усилителя равен 60 000. Стабилитрон позволяет сохранить нужное смеще­ ние на транзисторе второго каскада усиления.

Автоматическая схема управления подогревателем при нагреве катода обратной бомбардировкой уменьшит мощ-

Ф и г. 9. Схема автоматичоск и стабилизации температуры катода, предназначенная для ламп, у которых подогреватель имеет хороший тепловой контакт с катодом.

ность, подводимую к подогревателю от источника пита­ ния. Она же увеличит мощность подогревателя, когда надо будет скомпенсировать охлаждение катода из-за «испарения электронов» в режиме больших средних токов катода. Эта схема может поддерживать температуру ка­ тода постоянной и в случае ВЧ-нагрева держателя катода.

Н. Расчетная долговечность. Расчетный срок службы триодов может превышать 10 000 час. В первую очередь такой большой срок службы характерен для многих ламп

старых конструкций, технология которых уже полностью отработана. Некоторые титано-керамические лампы, вы­ пускаемые промышленностью, имеют сравнимые показате­ ли по сроку службы. Описанные в этом разделе триоды Ь-64 и Ь-65 еще не вышли из стадии экспериментов и инженерной разработки, поэтому в настоящее время их срок службы, вероятно, составляет 500—1000 час. Но в будущем можно ожидать значительного увеличения срока службы этих ламп, которое явится результатом непрерывного совершенствования технологии катода и накопления производственного опыта.

IV. Краткие выводы

Триоды длительное время использовались в качестве экономичных источников энергии на частотах ниже 500 Мгц. Работе в непрерывном режиме на более высо­ ких частотах мешала невозможность использования ка­ тодов больших размеров из-за ограничений, налагаемых на допустимые межэлектродные емкости и допустимую мощность рассеяния. Достигнутое в последнее время увеличение тока эмиссии оксидных катодов и использо­ вание для сеток и анодов материалов, позволяющих по­ высить рассеяние мощности, расширили область приме­ нения мощных триодов в сторону значительно более вы­ соких частот.

В данном разделе были описаны конструкция и пара­ метры триодов, характеризующих состояние работ в данной области. В числе этих ламп описан триод, кото­ рый в непрерывном режиме отдает па частоте 1,3 Ггц мощность 1 кет при полном к. п. д. 65% и. мощность 2,5 кет па частоте 700 Мгц при к. п. д. 68% по анодной цепи. Одни из триодов, работающий па частоте 1,3 Ггц импульсами длительностью 500 мксек, при коэффициенте заполнения 0,07 может дать усиление 17 дб в полосе ши­ риной 11% при импульсной мощности 5 кет. В заключе­ ние описаны еще более высокочастотные триоды непре­ рывного генерирования, позволяющие получать мощ­ ность несколько ватт на частотах 10—12 Ггц. Ожидается, что в результате дальнейшего прогресса в области полу­ чения более высоких уровней стабильной эмиссии триоды

смогут дать еще более высокие мощности. Таким образом, можно ожидать, что применение этих сравнительно деше­ вых и простых приборов в энергетике СВЧ будет расши­ ряться.

2.К е 1 с Ь Н. Л., Уегу Н|§Ь-Ргеяиепсу ТесЬп^^ие5, Иеиг Уогк, МсОгауг-НШ, 1947, рр. 323—327.

3. М с А г * Ь и г Е. О., Р1'зк-5еа1 ГиЪез, Е1ес1готсз, 18, рр. 98— 102 (РеЬ. 1945).

4.К о з е К- N.. ТгапБгпШшб ГиЪез Гог ГЬе гап§егз, СаИюйе Ргезз, 22, рр. 2—21 (Ли!у 1965).

5.Р е I е г з о п Р. \У., А пе\у Лез1*бп арргоасЬ Гог а сотрас* кПо-

\уай 1ЛНР Ьеаш ро>уег ГиЬе, Щ Е УУЕЗСОЫ Сою. РесоЫ., Р*. 3, рр. 36—41 (Аи§г. 1958).

7.Р 1 п с и з А. С., Ро5*егйе сегагшс ЬосПез, ИЗ Ра*. 2 912 340, 1959; см. также СотрозИе те*а1 ГозГегИе сегагтс ЪосПез, 115 Ра*. 2 962 136, 1960.

9.В е б ё 5 Л. Е., СЬагасГепзИсз оГ е1ес*гоп ГиЪез Наушб с!еап е1ес*гоЛез, Щ Е Тгапз. Екскоп Беокез, ЕР-5, рр. 55—58 (АргП 1958).

Би ч л е р

I.Введение

После первого успешного эксперимента [1], о кото­ ром сообщалось в 1958 г., к вопросу получения мощ­ ности СВЧ в результате взаимодействия между электрон­ ным лучом и плазмой был проявлен значительный инте­ рес. Но несмотря на то что такие взаимодействия обла­ дают рядом потенциальных преимуществ для получения большой мощности по сравнению с обычными усилителя­ ми, практический прибор пока еще не создан. Ниже мы рассмотрим различные виды взаимодействий и кратко остановимся на их физическом смысле. Далее будут ука­ заны преимущества, связанные с использованием плаз­ мы для усиления СВЧ, и некоторые проблемы, стоящие перед разработчиками. В заключение будет дана характе­ ристика современного состояния работ по плазменно­ лучевым усилителям.

11. Физическое описание плазменно-лучевых взаимодействий

Основные элементы плазменно-лучевого усилителя по­ казаны на блок-схеме фиг. 1. Легко заметить аналогию между таким усилителем и обычной ЛБВ или клистро­ ном. Создаваемый электронной пушкой луч, последова­ тельно проходит через входное устройство связи, про­ странство взаимодействия, выходное устройство связи и попадает на коллектор. Входное устройство связи, кото­ рое соответствует нескольким первым виткам спирали в ЛБВ или входному резонатору в клистроне, обеспечивает каким-либо способом возбуждение ВЧ-волн в плазмен­ но-лучевой системе. Выходное устройство связи выпол­ няет обратную функцию, т. е. отбирает ВЧ-энергию из плазменно-лучевой системы и направляет ее в выходную передающую линию. Более подробно устройства связи рассматриваются в разд. 2.7.5.

Между устройствами связи имеется область взаимо­ действия, в которой происходит нарастание амплитуды волн, возбужденных входным устройством связи. Эта область соответствует промежуточным резонатором и пространству дрейфа многорезонаторного ^клистрона либо центральной части замедляющей системы-ЛБВ. Действи­ тельно, как будет показано ниже, аналогия оказывается весьма хорошей, причем различные виды плазменно-луче-

Злектронный

луч

Фи г . 1. Принципиальная схема плазменно-лучевого уси­ лителя.

вых взаимодействий соответствуют различным типам обыч­ ных приборов. Так же, как в клистронах и ЛБВ, энергия ВЧ получается на выходе за счет уменьшения кинетиче­ ской энергии электронного луча, а плазма выполняет роль пассивной цепи.

Ради удобства дальнейшего изложеиия^мы определим плазму просто как нейтральный ансамбль* положительно и отрицательно заряженных частиц; такого типа ансамбль мы имеем в ионизованном газе, который является обыч­ ным 'видом плазмы, используемой в экспериментальных усилителях. В большинстве случаев отрицательные ча­ стицы — это электроны, а положительные — ионизован­ ные атомы или молекулы. Таким образом, поскольку масса положительных частиц много больше, чем электро­ нов, скорость движения электронов под воздействием высокочастотных электромагнитных полей выше скорости ионов. Следовательно, при сверхвысоких частотах мы

будем считать положительные ионы неподвижными в пространстве и описывать свойства плазмы в терминах, характеризующих движение электронов.

Если пренебречь тепловым движением, для каждого электрона будет существовать некоторое равновесное по­ ложение, где кулоновские силы окружающих его поло­ жительных зарядов будут сбалансированы. Когда элек­ трон смещается на небольшое расстояние от этого поло­ жения равновесия, он начинает простые гармонические колебания с частотой, называемой плазменной. Частота эта выражается следующим образом:

где е и т — заряд и масса электрона, е0 — -диэлектриче­ ская проницаемость вакуума и п — число электронов в 1 иг4 Плотность электронов удобнее выражать числом электронов в 1 см'л, и в этом случае плазменная частота определяется как

где п выражено в слГ*, а / пл — <апл/2я. Если присутствует статическое магнитное поле, то в движении электронов будет наблюдаться резонанс на циклотронной частоте

где В — индукция магнитного поля, вб/м2 (тл). Этих двух параметров, плазменной и циклотронной частоты, вполне достаточно для описания плазмы при кратком рассмотрении плазменно-лучевых взаимодействий. В реальной плазме электроны соударяются с ионами, другими электронами и нейтральными молекулами, если последние имеются в плазме. Кроме того, в реальной плазме существует распределение электронов по ско­ ростям, зависящее от температуры. В плазмах, исполь­ зуемых в большинстве экспериментов с плазменно-луче­ выми усилителями, средняя частота соударений, т. е. число соударений в секунду, составляет приблизительно 1% от плазменной частоты. Средняя тепловая скорость электрона соответствует энергии в несколько электронвольт и обычно мала по сравнению со скоростями, воз­