книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

к увеличению мощности в 6,5 раз по сравнению с одиноч­ нымдиодом. Предполагают, что таким способом можно повысить уровень мощности по меньшей мере иа два по­ рядка. Очевидно, что выполнение такой конструкции в виде интегральной схемы даст определенные выгоды и можно рассчитывать иа появление таких схем в ближай­ шем будущем.

По-видимому, не будет преувеличением сказать, что полупроводниковые генераторы СВЧ способны обеспе­ чить необходимые функции в приемниках и малогабарит­ ных генераторах СВЧ-диапазоиа. Можно считать вполне вероятным, что путем объединения большого числа при­ боров уровень мощности можно поднять на два порядка.

Еще одним важным применением полупроводниковых приборов являются переключатели большой мощности и

2.10.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Окр е с с

Кмощным СВЧ-геиераторам теперь можно отнести не только имеющие уже свою историю электровакуумные приборы, но также полупроводниковые генераторы СВЧ

иквантовые генераторы инфракрасного и оптического диапазонов. В числе новых и быстро растущих областей применения можно назвать использование энергии СВЧ в быту и промышленности, а также миогоэлементные фа­ зированные антенные системы.

Среди всех этих генераторов СВЧ основным прибором

для преобразования первичной электроэнергии в энер­ гию СВЧ (как в военной, так и в гражданской технике) является магнетрон. В числе главных достоинств магне­ трона можно назвать его малые размеры, механически простую и прочную конструкцию, относительно низкую стоимость и способность работать с высоким к. п. д. преобразования потенциальной энергии даже в усло­ виях, когда импеданс нагрузки меняется в широких пре­ делах. В этой главе были описаны критерии, руководст­ вуясь которыми конструктор может усилить те или иные перечисленные достоинства магнетрона, предназна­ ченного для конкретной системы. Рассмотрение конструк­ ций систем и их влияние на характеристики магнетрона хорошо иллюстрировано многочисленными рабочими и нагрузочными диаграммами. С помощью этих диаграмм объясняются такие ограничивающие факторы, как не­ устойчивость вида колебаний, и показано, как, изменяя параметры системы, можно оптимизировать работу маг­ нетрона. Основные параметры поступающих в продажу магнетронов сведены в таблицу, приведены также схемы, иллюстрирующие типичные случаи применения магне­ тронов.

Амплитрон — усилитель со скрещенными полями и замкнутым электронным потоком — по своим свойствам близок к магнетрону. Амплитрон, как и магнетрон, обладает~'высоким к. п. д., простой конструкцией, прочностыоТ малыми размерами и низкой стоимостью на ки­

ловатт выходной мощности; главное же то, что амплитрон обеспечивает усиление в сравнительно широкой полосе (3—15%), хотя его легко также превратить в эффектив­ ный и высокостабильиый генератор. Современные мощ­ ные амплитроны мощностью от 150 до 400 кет в непре­ рывном режиме на частототе около 3000 Мгц работают при к. п. д. выше 70% в широком динамическом диапазоне изменения выходной мощности. Благодаря использова­ нию вторично-эмиссионного холодного катода потенциаль­ ная долговечность амплитрона велика. В этом приборе сочетаются широкая полоса пропускания, высокая фазо­ вая линейность и малые уходы фазы при изменении тока, что делает его особенно привлекательным для примене­ ний в системах большой мощности. Специально сконструи­ рованные амплитроны работали при к. п. д. до 90%, и, по-внднмому, в пределах достижимого создание еще более мощных приборов, к. п. д. которых будет соответствовать к. п. д. типичных двигатель-генераторов. Разработка таких амплитронов послужит стимулом для создания новых конструкций, имеющих большее пространство взаимодействия, и для разработки более совершенных устройств (например, электромагнитных усилительных СВЧ-линз) для ввода и вывода энергии СВЧ.

В этой главе хорошо проиллюстрированы существен­ ные различия между двумя типами современных магне­ тронных усилителей: с эмиттирующим отрицательным электродом и с инжектированным электронным потоком. Основные свойства магнетронных усилителей с эмигри­ рующим отрицательным электродом и замкнутым элек­ тронным потоком такие же, как у усилителей этого типа с незамкнутым электронным потоком, хотя обычно при­ боры первого типа имеют более высокий к. п. д. Коэф­ фициент усиления и ширину полосы усилителей с зам­ кнутым электронным потоком можно увеличить, если предусмотреть в приборе некоторую область дрейфа, где будет происходить разгруппировка электронного по­ тока. При этом становится возможным режим работы импульсного магнетронного усилителя с холодным като­ дом от источника питания постоянного тока. В приборе с незамкнутым электронным потоком протекание тока катода прекращается с окончанием входного СВЧ-сиг-

нала. В приборах с замкнутым электронным потоком для прекращения протекания тока катода на управляющий электрод должен подаваться гасящий импульс напряже­ ния. Реализация такого режима во многих случаях позво­ ляет заметно упростить требования, предъявляемые к модулятору.

Усилители со скрещенными полями и незамкнутым электронным потоком в случае инжектирования элек­ тронного потока представляют собой по существу ЛБВ с электронным взаимодействием в скрещенных полях; а в случае распределенной эмиссии прибор является аналогом магнетрона с бегущей волной. В приборах обоих типов используется взаимодействие магнетронного типа, приводящее к высокому к. п. д., широкому динамиче­ скому диапазону, идеальной характеристике насыщения мощности и стабильности фазовой характеристики. На различных стадиях разработки и выпуска ограничен­ ными партиями находится значительное число усилите­ лей бегущей волны Л4-типа с инжектированным электрон­ ным потоком, причем мощность некоторых из них дости­ гает нескольких киловатт в непрерывном режиме. В длин­ новолновой части диапазона СВЧ разработаны усилители со спиральными замедляющими системами, полоса про­ пускания которых превышает октаву, а мощность в не­ прерывном режиме равна 1 квт\ в 3-сантиметровом диапа­ зоне и на более высоких частотах полоса пропускания несколько уже. Выдающихся успехов недавно удалось добиться в усилителях магнетронного типа с распределен­ ной эмиссией, которые позволяют получить большую им­ пульсную и среднюю мощности, обладают высоким первеансом и хорошими фазовыми характеристиками и в кон­ струкции с незамкнутым электронным потоком допускают полностью автоматическую модуляцию высокочастотным сигналом. Сейчас ведется разработка и изготовляются опытные образцы таких усилителей 5-саитиметрового диапазона с выходной мощностью 1 М ет.

Приборы со скрещенными полями вследствие прин­ ципиальной нестабильности собственного пространствен­ ного заряда могут генерировать мощные некогерентные шумы. Благодаря этому можно получать шумовую мощ­ ность высокого уровня при больших к. п. д. преобразова­

ния. Ширину полосы шума можно изменять в пределах от нескольких процентов до октавы и более, регулируя дисперсию замедляющей системы. В некоторых этих при­ борах центральную частоту полосы перестраивают, ме­ няя напряжение питания.

Изложение материала по клистронам в этой главе начинается с исторической справки, вслед за которой кратко поясняются принцип действия и основные конст­ руктивные особенности. Дано описание ряда лучших клистронов, по которым можно судить об уровне, до­ стигнутом в данной области. Отмечаются особенности клистронов импульсного и непрерывного действия. Кратко упоминаются новые клистроны с электростатической фо­ кусировкой, имеющие малый вес. Отдельно разбираются вопросы дальнейшего повышения выходной мощности, к. п. д. и увеличения ширины полосы, причем в каждом случае автор обращает внимание читателя на некоторые ограничивающие факторы. В настоящее время, по-види- мому, отсутствуют какие-либо принципиальные ограни­ чения на пути дальнейшего повышения мощности кли­ стронов. Новые методы расчета, основанные на примене­ нии больших электронных вычислительных машин, поз­ воляют надеяться на ускорение разработок мощных при­ боров с высокими к. п. д. и на повышение их конкуренто­ способности по отношению к приборам со скрещенными полями в невоенных энергетических применениях. Автор делает осторожные выводы относительно перспектив раз­ вития каждой области. Во всяком случае, нет сомнений, что темпы прогресса будут сдерживаться экономически­ ми, а не технологическими факторами.

Триоды являются полезными приборами для генери­ рования энергии СВЧ как в непрерывном, так и в им­ пульсном режимах. Повышение эмиссионной способности катода, допустимых мощностей рассеяния на сетке и аноде, а также создание новых конструкций с очень ма­ лым межэлектродиым расстоянием и высокой механиче­ ской устойчивостью представляют собой основу для даль­ нейшего повышения выходной мощности и улучшения других характеристик триодов. Выходная мощность трио­ дов в непрерывном режиме изменяется от 2,5 кет на ча­ стоте 700 Мгц при к. п. д. 70% до 0,1 вт на частоте

18 Ггц. В импульсном режиме при длительности импуль­ сов 500 мксек, коэффициенте заполнения 0,07 на выходе усилителя с шириной полосы 11% относительно средней частоты 1,3 Гец и коэффициенте усиления 17 дб была по­ лучена мощность 5 кет.

Изложение основных закономерностей, управляющих поведением плазмы на сверхвысоких частотах, ведется с точки зрения получения усиления при взаимодействии электронного пучка с плазмой. Рассмотрены плазменно­ лучевые взаимодействия различных типов, обсуждаются их потенциальные возможности для применения в систе­ мах с высоким уровнем мощности. Перечислены свойства, которыми должна обладать плазма, описаны некоторые новые способы получения плазмы. Отмечается, что основ­ ной проблемой в настоящее время является проблема связи с усилителем. Охарактеризовано состояние ис­ следований в области плазменно-лучевых усилителен на современном этапе.

В следующем разделе обсуждаются принципы, дейст­ вия и особенности конструкции квантовых генераторов, рассматриваются перспективы использования этих при­ боров для энергетических применений. В первой части описаны свойства ансамблей связанных электронов, из­ лучательные переходы, уширение спектральной линии, инверсия населенностей и усиление. Во второй части рассмотрены моды колебаний в оптическом резонаторе, лазер с модуляцией добротности, комбинация лазерагенератора с усилителем и вопросы эффективности лазе­ ров. Автор делает вывод, что, хотя в настоящее время потенциал квантовых приборов для энергетических при­ менений очень низок, успехи, достигнутые в последнее время в таких высокоэффективных приборах, как лазер на С02, показывают, что в будущем эти приборы могут оказаться полезными для специальных применений. Про­ гресс в области мощностных характеристик идет настоль­ ко быстрыми темпами, что многие функции, выполнение которых раньше возможно было только при использова­ нии электровакуумных приборов, перейдут к лазерам.

Полупроводниковые приборы СВЧ различных типов рассматривались по их частотно-мощностным парамет­ рам. Лавинно-пролетные диоды, арсенид-галлиевые диоды

Ганна и диоды с ограниченным накоплением объемного заряда, варакторные умножители частоты и транзисторы генерируют достаточные мощности для использования их в качестве гетеродинов приемников по крайней мере в некоторых частях диапазона СВЧ. С увеличением ча­ стоты мощность всех этих приборов, кроме диодов с огра­ ниченным накоплением объемного заряда, изменяется обратно пропорционально квадрату частоты.

Поскольку развитие полупроводниковых приборов СВЧ идет очень быстрыми темпами, приведенные данные позволяют составить лишь приближенную и фрагментарную^картину, которая,г2гем не менее, по-видимому, полезна для оценки возможностей этих приборов как источников энергии СВЧ. Хорошие практические резуль­ таты в смысле повышения мощности дало параллельное включение многих полупроводниковых приборов, однако прежде, чем эти приборы смогут оказать серьезную кон­ куренцию их более эффективным и мощным вакуумным соперникам, им придется пройти еще длинный путь через исследовательские лаборатории и конструкторские бюро.

Г лава 3

ПЕРЕДАЧА

3.1.ВВЕДЕНИЕ

Ба р л о у

Величина мощности, переносимой посредством элек­ тромагнитного поля через единичную площадку, опреде­ ляется вектором Пойнтинга, который выражает долю энергии, протекающую перпендикулярно к заданной по­ верхности. Таким образом, нас интересуют поперечные (ортогональные) составляющие электрического и магиит-

Ф и г. I. Энергия и мощность, переносимые плоской волной.

ного поля. Произведение амплитуд этих составляющих в любой момент дает мгновенное значение передаваемой мощности. В большинстве случаев представляет интерес величина мощности, усредненная по времени.

На^фиг. 1 показано представление вектора Пойнтин­ га [1] для плоской волны в диэлектрической среде. Для

среды без потерь с диэлектрической проницаемостью е и магнитной проницаемостью р энергия на единицу объема составит

плотность мощности, передаваемой перпендикулярно к фронту волны, равна

Если Е и Н изменяются во времени синусоидально, то средняя плотность мощности

где Е и Н — комплексные амплитуды (звездочка означает комплексно-сопряженную величину), и при разности фаз ф между ними можно записать

Тогда средняя плотность мощности (6) запишется в виде

При передаче высокой мощности по волноводам раз­ личной формы (фиг. 2) имеется большое преимущество, заключающееся в том, что энергия электромагнитного поля направляется только вдоль желаемого пути, а поте­ ри в волноводах должны быть относительно малы. Волна