Рекомендованные литературные источники

[1] с. 102-125, 199-238, [2 ] с. 369-502, [3] с.181-208.

К диапазону СВЧ относятся частоты от 3 до 30 ГГц, т.е радиоволны с длиной волны 1…10 см.

С ростом частоты работы генераторов на обычных электронных лампах начинает сказываться влияние межэлектродных емкостей и индуктивностей выводов лампы. На рис. 6.1 приведена эквивалентная схема лампы с указанием этих реактивных элементов. С ростом частоты уменьшаются сопротивления межэлектродных емкостей С_ас, С_ак, С_ск и вследствие этого возникают заметные емкостные токи, что приводит к возникновению паразитных обратных связей в схемах генераторов. С ростом частоты, в свою очередь, становятся заметными индуктивности вводов L_a, L_c, L_к, что может привести к возникновению паразитных избирательных контуров вместе с межэлектродными емкостями. Всё это создаёт возможность возникновения самовозбуждения на побочных частотах в схемах и неустойчивости усиления. Кроме того, на СВЧ длины волн колебаний становятся сравнимыми с расстояниями между электродами ламп, что приводит к возникновению разности фаз Δφ между током и напряжением вч лампе. Так как полезная колебательная мощность Р = I•UcosΔφ, то возникает

падение величины полезной мощности в генераторе. Далее с ростом частоты увеличивается сопротивление проводников за счёт т.н. скин-эффекта, т.е. уменьшения толщины проводящего слоя в проводнике. Это приводит к росту потерь мощности, к уменьшению добротности избирательных систем генераторов и, следовательно, к уменьшению коэффициента усиления генератора и к увеличению нестабильности частоты в автогенераторах за счёт уменьшения фиксирующей способности.

Рис. 6.1

Справа от вывода сетки С двумя трубами, насаженными на выводы сетки и анода, образована коаксиальная линия АС, слева от сеточного вывода – коаксиальная линия КС. Расстояния между трубами определяются диаметрами цилиндров выводов и условиями электрической прочности резонаторов, которая для атмосферы составляет по напряженности электрического поля 5…10 кВ/см. Применяют и односторонние конструкции генераторов, при этом обычно на вывод анода насаживают ребристый цилиндр – охладитель, диаметр которого делается наибольшим из всех. Подробный расчёт коаксиальных резонаторов можно найти, например, в [2]. Лампы, применяемые в подобных генераторах, имеют номенклатуру ГИ или ГС, это т.н. металло-керамические лампы.

Рис. 6.2

С повышением частоты в диапазоне СВЧ тех мероприятий, которые описаны в п. 6.1, оказывается недостаточно для эффективной работы генераторов. Поэтому разработаны специальные приборы СВЧ-диапазона, в которых использованы иные принципы усиления и генерации. Суть этих принципов состоит во взаимодействии бегущих электромагнитных волн с электронными пучками, двигающимися параллельно вектору ЭМВ. Скорость распространения ЭМВ близка к скорости света, что практически недостижимо для скоростей разогнанных электрическим потенциалом электронов. Поэтому для обеспечения указанного взаимодействия фазовую скорость ЭМВ замедляют посредством т.н. замедляющих систем. Некоторые формы замедляющих систем приведены на рис. 6.3.: спиральная замедляющая система - а), гребенчатая - б), резонансно-щелевая - в), гребенчато-встроенная - г), переменно-гребенчатая -

Рис. 6.3
Суть процесса замедления фазовой скорости состоит в следующем. По поверхности проводников структур волна распространяется со скоростью, близкой к скорости света, т.е волна как бы огибает проводники структуры, а вдоль структур – со скоростью меньшей. Коэффициент замедления скоростей К_з можно, например, вычислить как отношение длины витка спирали l к длине шага спирали h: К_з = l/h. Пучок электронов, обычно сфокусированный, движется или по оси спирали, или вдоль поверхностей других систем. Взаимодействие электронов пучка с бегущими ЭМВ состоит в том, что при определённых условиях кинетическая энергия разогнанных электрическим полем электронов отдаётся волнам и их энергия увеличивается, т.е. происходит усиление ЭМВ. Иными словами, электромагнитные волны должны тормозить электроны. Если же скорость электронов увеличивается полем ЭМВ, то волны отдают свою энергию электронам и их усиления не происходит. Теперь рассмотрим работу различных приборов СВЧ.

Пролётный клистрон является, в основном, усилителем колебаний СВЧ, его схема и один из элементов принципа работы представлены на рис. 6.4.

Рис. 6.4
Клистрон – электровакуумный прибор, состоящий из подогревного катода К, фокусирующего и одновременно управляющего током электронного пучка электрода ФЭ, двух тороидальных объёмных резонаторов Г и У, коллекторного электрода КЭ. На ФЭ подаётся управляющее напряжение, напряжение анода Е_а включено между катодом и одновременно всеми резонаторами и КЭ. Резонатор Г именуется группирователем, резонатор У – улавливателем. Входное напряжение СВЧ подаётся через петлю связи в группирователь, выходное выводится через петлю связи из улавливателя. Между Г и У имеется пролётное пространство длиною l_o. В плоской части тороидальных резонаторов имеются сетки, достаточно прозрачные для электронов. Между сетками Г при подаче входного сигнала возникает электрическое поле СВЧ с амплитудой U_вх. При отсутствии этого поля, долетая до сеток Г, электроны имеют скорость v_o = и далее летят в пролётном пространстве по инерции. При наличии U_вх скорость электронов претерпевает модуляцию так? что v = . Принимая во внимание что U_вх/Е_а = ξ << 1, получим v = v_о (1 + ξ/2 sinωt). Вследствие модуляции скоростей электронов, пролетающих сетки Г, в пролётном пространстве возникают группировки электронов (ускоренные электроны догоняют замедленные), что показано на правой эпюре рис. 6.4. Группы электронов формируются вдоль всей оси пролётного пространства, следуя во времени с частотой ω. Это группы (наподобие импульсов тока), достигая улавливателя (У), возбуждают в последнем выходные колебания СВЧ, усиленные по мощности, так как кинетическая энергия групп отдаётся этим колебаниям СВЧ в У. Связь между током электронов I₁ в Г и током I₂ в У определяется соотношением:

I₂ = I₁ /| 1 – Xcosωt| ,

где Х =1/2ξt_oω, t_o=l_o/v_o. Функция I₂ имеет периодический характер с максимумами в ωt = n2π. Величина максимумов зависит от Х, наиболее острые максимумы возникают при Х >1. Для первой гармоники ток максимален при Х= 1,84. Разлагая функцию для I₂ в ряд Фурье, получим значения токов гармоник номера к I_к = I₁J_к(кX). Потребляемая от Е_а мощность Р_о= I₁E_а, полезная мощность на выходе P₁ = U₂I₁J₁(Х). КПД клистрона η₁ в результате будет η₁ = Р₁/Р_о = U₂J₁(Х)/Е_а = ξ₁J₁(Х). Если ξ₁ принять равным 1, то η₁ = 0,58, так как значение функции Бесселя J₁(1,84) = 0,58. Полученное значение КПД является теоретически максимальным, практическое значение КПД клистрона при двух резонаторах составляет 0,2…0,25. Коэффициент усиления по мощности К_р примерно равен 20 дБ. Для повышения эффективности работы пролётных клистронов применяют многорезонаторные клистроны с последовательным внедрением тороидальных резонаторов между основными Г и У, число резонаторов в клистроне может достигать 4...8. Кроме того используют электромагнитную фокусировку пучка электронов, помещая между резонаторами катушки соленоидов, а также убирают сетки в резонаторах, что в целом уменьшает рассеивание электронов на элементах конструкции клистрона. Все эти мероприятия повышают КПД до уровня в 40% и К_р до уровня 30…35 дБ. Пролётные клистроны чаще всего применяют как мощные импульсные усилители в передатчиках РЛС с выходной импульсной мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт.

Магнетрон является мощным импульсным автогенератором СВЧ. Конструкция магнетрона (вид сверху и сбоку) представлена на рис. 6.5.

Рис. 6.5

На рис. 6.5. А- анод магнетрона, представляющий собой металлический цилиндр с вырезанными в нём вдоль всей длины резонаторами. Щели резонаторов выходят во внутреннюю полость цилиндра, посередине которой располагается цилиндрический подогревный катод К, он показан выступающим на виде сбоку. Магнетрон помещается между полюсами постоянного магнита N и S так, что линии магнитной индукции В направлены вдоль оси цилиндра магнетрона. Замкнутая резонаторная система является замедляющей системой в магнетроне (рис.6.3в). Выходные колебания СВЧ снимаются петлёй связи ПС из любого резонатора. Напряжение питания Е_а от импульсного модулятора подаётся на магнетрон в отрицательной полярности на катод, анод обычно соединён с корпусом передатчика. Таким образом, на электроны, имитируемые катодом, действуют две силы : электрическая F_e = eE, обязанная напряженности электрического поля, создаваемой Е_а, и сила магнитного поля F_м = еvBsinα. Поскольку угол α между вектором скорости v движения электронов от катода к аноду и вектором магнитной индукции равен 90^о, то F_м = еvB. Сила F_м не меняет величину скорости v, но меняет направление движения электронов так, что электроны начинают двигаться по окружности в магнитном поле с радиусом r = mE/eB². Траектория движения приобретает вид циклоиды с этим радиусом (рис. 6.6).


Рис. 6.6

В зависимости от величины В, Е_а и расстояния от катода до анода d траектории движения электрона могут иметь вид, представленный на рис. 6.7.

Рис. 6.7

При В = 0, Е_а # 0 магнетрон работает как простой диод с траекторией движения электронов 1.

При 0 < В < B_кр, Е_а # 0 траектория 2 циклоидальна, но электрон достигает анода на первом же витке циклоиды.

При В = В_кр, Е_а # 0 траектория 3 замкнута и только касается анода, в этом случае возникает т.н. магнетронный эффект – пропадание тока в магнетроне.

При В > В_кр, Е_а # 0 траектория 4 замкнута и электроны не достигают анода. Величина В_кр = , где m и e – масса и заряд электрона.

Циклоидальные траектории электронов обеспечивают их движение вдоль поверхности замедляющей системы, что позволяет электронам взаимодействовать с бегущими волнами, возникающими в замедляющей системе при подаче напряжения питания на катод магнетрона. Это взаимодействие состоит в следующем. Под щелями резонаторов замедляющей системы возникают периодические (с частотой настройки магнетрона ω) СВЧ колебания электрического поля. Если, пролетая под щелью резонатора, электрон тормозится этим полем, то он отдаёт свою кинетическую энергию колебаниям, поддерживая их. В замедляющей системе, представляющей замкнутую в кольцо резонаторную систему, могут быть несколько видов колебаний, которые должны удовлетворять условию: φN = 2kπ, где φ – сдвиг по фазе между соседними резонаторами, N - число резонаторов, k = 0,1,2, ...

При N = 8 (N всегда чётное число), например, имеем:

1. 
   k = 0, φ = 0; k = 8, φ = 2π. 2) k = 1, φ = π/4; k = 7, φ = 7π/4.
   

3. 
   k = 2, φ = π/2; k = 6, φ = 3π/2; 4) k = 3, φ = 3π/4, k = 5, φ = 5π/4.
   

Колебания 1…4 называются попарно-вырожденными, образующими стоячие волны в замедляющей системе с нестационарным расположением узлов и пучностей, что неудобно для вывода энергии из магнетрона. Колебание 5 называется невырожденным колебанием, возникающим при k = N/2, разность фаз между соседними резонаторами при этом составляет π. Поэтому эти колебания называют колебаниями типа π. Эти колебания являются устойчивыми, петля связи в любом из резонаторов будет всегда находиться в пучности СВЧ поля, что удобно для снятия энергии. Кроме того, колебания типа π возникают в магнетроне при наименьших величинах Е_а. Колебания типа π являются наиболее используемыми в магнетронных генераторах.

Теперь об условии, обеспечивающем эффективное взаимодействие энергии электронов с бегущими волнами замедляющей системы – условии синхронизма. Для этого необходимо, чтобы скорость движения электронов по траектории (циклоиде) вдоль поверхности замедляющей системы обеспечивала попадание электрона в фазу замедления под каждым из резонаторов. Поскольку разность фаз между соседними резонаторами равна π, то время пролёта электрона от одного резонатора до соседнего должно быть равно: t_пр = π/ω, т.е. половине периода колебаний СВЧ поля. С учётом величин радиусов катода r_к и внутреннего радиуса анода r_а условие синхронизма обеспечивается таким соотношением:

Е_а = Вω_к(r_а² – r_к²)/2k, для колебаний типа π 2k =N.

Магнетрон является генератором большой импульсной мощности, поэтому для его работы важен КПД. Не вдаваясь в подробности вычисления КПД, приведём выражение для него:

η = 1 – (B_кр²/B²).

Из этого выражения видно, что работа магнетрона начинается с В ≥ В_кр, далее КПД возрастает. Практические значения КПД лежат в диапазоне 15…65 %.

Характеристики магнетронного генератора

Основными электрическими показателями магнетронного передатчика являются выходная мощность Р_и, КПД η, генерируемая частота f_o и её стабильность. Эти характеристики полностью определяются характеристиками магнетрона и зависят от индукции В, анодного тока I_а, напряжения не аноде Е_а, проводимости подключённой к магнетрону нагрузки Y_н . Магнитная индукция В и напряжение Е_а связаны между собой и не могут быть выбраны произвольно. Следовательно, из величин В, Е_а, I_а – две независимы. Поэтому Р_и, η, f_o полностью определяются величинами Е_а (или В), I_а и Y_н = g_н +jb_н. Эти зависимости выражаются рабочими характеристиками магнетрона: семейством характеристик, у которых по осям отложены значения Е_а и I_а, а в качестве параметров используются магнитная индукция В, выходная мощность Р_и, η и рабочая частота f_o. Рабочие характеристики изображены на рис. 6.8.

Рис. 6.8
Сплошными линиями указаны характеристики, параметрами которых являются неизменные значения В в Гауссах. Штриховыми линиями изображены характеристики неизменных мощностей Р_и, в кВт. Штрих-пунктирными линиями – характеристики неизменных КПД, в процентах. Выбор рабочей точки магнетрона показан, как пример, точкой А. В этой точке В =1400 Гс, Р_и = 240 кВт, КПД = 45%. Перемещая точку по полю характеристик, можно выбрать желаемый режим работы магнетрона. Результатом выбора будет определение величин Е_а и I_а, соответствующих выбранной точке. Эти значения Е_а и I_а являются исходными данными для проектирования импульсного модулятора.

Зависимости мощности Р_и, частоты f_o от параметра нагрузки выражается нагрузочными характеристиками. Под параметром нагрузки понимается импеданс коэффициента отражения Ĺ = Le^-jφ = Ú_отр/ Ú_пр. Поскольку модуль L может меняться от 0 до 1, а 0 ≤ φ ≤ 360^о, то эти характеристики строят в полярных координатах, где независимой переменной служит Ĺ. Вид нагрузочных характеристик показан на рис. 6.9. Сплошными линиями показаны характеристики с неизменными Р_и, причём характеристика Р_н считается характеристикой номинальной мощности магнетрона. Выше неё располагаются характеристики с мощностями больше номинальной, ниже – меньше номинальной. Штриховыми линиями обозначены характеристики неизменных частот генерации, причём характеристика, проходящая через 0 (f_о), считается характеристикой номинальной частоты. Справа от неё частоты убывают, слева – повышаются. Точка А иллюстрирует возможную рабочую точку. В ней L ≈0,7, а φ ≈ 30^о, Р_и ≈ 0,5 Р_н , f ≈ 1,002 f_o. Внутри круга с радиусом L ≤ 0,2 имеет место т.н. режим затягивания частоты – максимальное изменение частоты магнетрона, которое возникает при постепенном изменении на 360^о фазы φ.

Рис. 6.9
При L = 0,2 КСВ линии нагрузки равен 1,5. Такое значение модуля коэффициента отражения считается максимально допустимым на входе АФУ. Параметр затягивания F_o определяет максимальный разброс частоты и на рисунке приблизительно равен: F_o = 1,001f_o – 0,999f_o = 0,002f_o. Если принять величину f_o = 1000 мГц, то F_o = 20 мГц.

Магнетроны широко применяют как в бортовых РЛС, так и в наземных радиолокационных комплексах. Приведём типичные параметры магнетронов, используемых по этим назначениям.

В бортовой РЛС: f_o = 9370 мГц, F_п = 400 Гц (частота повторений импульсов, равная частоте питающей бортовой сети ВС), Р_и = 10 кВт, τ_и = 2 мкс.

В наземных РЛС - два примера. В обзорном аэродромном радиолокаторе: f_o = 1250…1350 мГц, F_п = 330…930 Гц, τ_и = 1,2 мкс, Р_и = 0,5…2,0 кВт. В радиолокаторе обзора лётного поля: f_o = 34 гГц, F_п = 10 кГц, τ_и = 0, 025…0,1 мкс, Р_и = 35 кВт.
Лампа бегущей волны

Лампа бегущей волны (ЛБВ) является усилителем СВЧ колебаний. Типичная конструкция ЛБВ с замедляющей системой в форме спирали показана на рис. 6.10. Принцип работы ЛБВ заключается в следующем. Поток электронов, формируемый катодом, управляющим электродом (типа сетки) и фокусирующей катушкой (соленоидом), проходит со скоростью v_e внутри спирали и достигает коллектора. На вход спирали (вход СВЧ) подаётся усиливаемое СВЧ колебание, создавая в спирали бегущую электромагнитную волну (ЭМВ) с фазовой скоростью v_ф. При определённых условиях кинетическая энергия электронов отдаётся волне, усиливая её мощность. С выхода спирали усиленная ЭМВ выводится в нагрузку (вывод СВЧ).

Рис. 6.10

На рис. 6.11 приведена эпюра распределения волны СВЧ вдоль спирали и даны пояснения к взаимодействию волны с электронами.

Рис. 6.11

В зависимости от соотношения между v_e и v_ф могут быть три случая. Если v_e = v_ф, то поток электронов неподвижен относительно волны При этом в плоскостях б, г и т.д. будут собираться сгустки электронов, так как силы волны F_e направлены к этим плоскостям. Сгустки не взаимодействуют с волной, не усиливают её и просто двигаются со скоростью волны к коллектору. Если скорости таковы, что v_ф > v_e, то образовавшиеся сгустки будут отставать от волны и попадать в фазу ускорения электронов волной, т.е. волна отдаёт свою энергию электронам и волна гаснет, усиления нет. Когда же v_ф < v_e, то сгустки электронов опережают волну и попадают в фазу торможения электронов волной, электроны отдают волне свою энергию. Именно этот случай является рабочим режимом ЛБВ. Для устранения в лампе влияния отражённой от конца спирали волны применяют поглотители отраженных волн.

Если в ЛБВ имеется только ускоряющее электроны поле анода, то ЛБВ называются типа «О» - обыкновенные. Для повышения КПД ЛБВ применяют лампы типа «М» - магнетронные. В этих лампах, кроме поля анода, имеется магнитное поле, вектор В которого ортогонален скорости движения электронов. Это помогает обеспечить синхронизм между замедленной волной и электронным потоком. КПД ЛБВ типа «М» достигает величин 60%. Такие лампы можно конструировать в форме кольца (наподобие магнетрона), что снижает габариты лампы. ЛБВ применяют в качестве усилителей мощности в различных передатчиках и в качестве УВЧ в приёмниках. Некоторые данные ЛБВ УВ-5: f_o = 3,4…4,4 гГц, К_р = 18 дБ; УВ-6: f_o = 3,4…4,4 гГц, К_р = 30 дБ, Р_вых = 0,03 Вт; УВ-7: f_o = 3,4…4,4 гГц, К_р = 26 дБ, Р_вых = 3 Вт. К_р – коэффициент усиления мощности. Из данных видно, что ЛБВ можно перестраивать по частоте в достаточно широком диапазоне. Это достигается изменением ускоряющего анодного напряжения и существованием в спирали или другой замедляющей системе (гребёнке) ряда возможных собственных частот колебаний волны.

Лампы обратной волны (ЛОВ) являются, в основном, автогенераторами колебаний СВЧ. На рис. 6.12 приведён пример конструкции ЛОВ, которая подобна ЛБВ, но имеет один выход СВЧ, вначале замедляющей системы (гребенчатая структура системы). Фокусирующие катушки тоже есть, но они на рисунке не показаны. Рассмотрим работу ЛОВ. При включении лампы в замедляющей системе возникают собственные колебания бегущих в обоих направлениях волн. Пучок электронов взаимодействует с обратной волной, за счёт специфической обратной связи в лампе возникает автогенерация на одной из гармоник замедляющей системы. Съём колебаний СВЧ производится в нача- ле замедляющей системы через волноводный вывод. Сущность взаимодействия волны с электронами подобна ЛБВ. Как и ЛБВ, ЛОВ могут быть типа «О» и типа «М». Современные ЛОВ типа «М» конструктивно несколько видоизменены: вместо электронной пушки и коллектора применяется цилиндрический катод как в магнетроне, расположенный внутри анодной замедляющей структуры – гребенчатой или «палец в палец».

Рис. 6.13

В рамках такой модификации был разработан прибор СВЧ – платинотрон, рис. 6.13, применяемый в радиолокационных системах. Около начала замедляющей системы предусматривается второй согласованный ввод СВЧ - сигнала. Этим обеспечивается работа платинотрона в режиме захвата частоты входного сигнала и прибор работает как усилитель, нося название амплитрона. В режиме автоколебаний платинотрон именуется стабилотроном.

В режиме амплитрона платинотрон обладает некоторой полосой захвата частот внешнего воздействия, которая определяется так: Δω_захв/ω_о = Е/U, т.е. полоса захвата Δω_захв прямо пропорциональна амплитуде внешнего воздействия Е и обратно пропорциональна амплитуде генерируемого колебания U в отсутствии внешнего воздействия. Вне полосы захвата имеют место биения на частоте Ω, равной величине | ω_вх - ω_о |. В полосе захвата биений нет. Именно это явление используется в платинотроне для построения мощных усилителей на базе применения автогенератора (ЛОВ).

Основным достоинством амплитрона является: высокий КПД (60…70%), большая импульсная и средняя мощности (до нескольких мегаватт в импульсе и до нескольких сотен киловатт в непрерывном режиме), широкая полоса пропускания в усилительном режиме, относительно небольшие габариты и масса. К недостаткам амплитрона относится сравнительно невысокий коэффициент усиления мощности (8…12 дБ). Рабочие характеристики амплитрона подобны характеристикам магнетрона, что позволяет называть амплитрон магнетронным усилителем.