Главная  Электронные квантовые приборы СВЧ 

1 2 [ 3 ] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Зная критаческое значекие угла пролета, можно приближенно .из (2.5) определить предельную длину волны для триода. Вводя поправочный коэффициент, учитывающий уменьшение скоро-<ти электронов вследствие наличия пространственного заряда в промежутке между электродами, имеем (в см)

К^З-Ю^-М^ , (2 10)

где Um - амплитуда напряжения на сетке.

На величину предельной длины волны свч триода существенно влияет эмиссионная способность катода. Использование катодов с высокой эмиссионной способностью позволяет работать при больших напряжениях, что снижает угол пролета.

Рассмотрим рис. 2.5. При больших углах пролета эмиссия электронов с катода продолжается только в течение четверти периода йыоокочастотных колебаний, а не половины периода иаК на

низких частотах. Максимальное значение тока приходится на начало положительного полупериода, а не на его середину. Амплитуда тока может значительно превышать амплитуду тока эмиссии на низких частотах. Поэтому свч лампы должны иметь высокоэмиссионный катод, который способен создавать кратковременные импульсы тока, значительно превышающие токи эмиссии ламп, работающих на более низких частотах.

Ток эмиссии оказывается пропорциональным скорости нарастания напряжения на сетке, а не мгновенному напряжению на сетке, что характерно для низких частот. При увеличении частоты колебаний увеличивается скорость изменения напряжения на сетке и пропорционально возрастает амплитуда тока эмиссии. При значении фиктивного угла пролета 6скф = = 120° ток эмиссии на свч увеличивается в 2,25 раза по сравнению с током эмиссии на низких частотах /о-

Время пролета электронов между электродами существенно влияет на уровень внутреннего шума лампы. В диапазоне сверхвысоких частот необходимо учитывать три ооновных источника шумов лампы: I) флуктуации суммарного тока лампы; 2) флуктуации, которые 1ПОлучаются вследствие перераспределения полезного тока между анодом и положительно заряженными сетками; 3) флуктуации, обусловленные наведенным в цепи сетки током. Первые два источника шумов действуют как в свч диапазоне, так и на более низких частотах. Третий же источник, обусловленный появлением значительного сеточного тока лампы из-за конечного


Рис. 2.5. Зависимость тока катода от времени при различных значениях фиктивного угла лрспета

Кре


ремени пролета электронов, существует только в диапазоне свч. Наводимый в цепи сетки шумовой ток вызывает на сопротивлении 1Х0ДН0Г0 контура напряжение шума, которое усиливается лампой.

§ 2.3. ПРИМЕНЕНИЕ ТРИОДОВ И ТЕТРОДОВ СВЧ

Основными требованиями, предъявляемыми к триодам и тетродам свч, являются малые: время про.пета электронов, междуэ.пектродные емкости, индуктивности вводов, диэ.пектрические потери в лампе.

На частотах до 500 МГц этим требованиям удовлетворяют лампы типа же-.пудь и пальчиковые лампы. Конструктивно пальчиковые лампы более совершенны, поэтому они широко используются в радиоаппаратуре.

На частотах свыше' 500 МГц применяются триоды с дисковыми выводами: мачковые, мета.плокерамические и карандашные. Рассмотрим рис. 2.6. Катод, сетка анод плоские. Расстояние между элвктро -дами доходит до десятых и даже сотых долей миллиметра.

В .металлокерамнческом триоде (рис. 2.7) вместо отекла .используется специальная керамика с малыми диэлектрическими потерями. Диэлектри-



Рис. 2.6. Конструкция генератора на маячковом триоде:

/ - коаксиальный резонатор в цепи сетка-катод: г - петля связи; 3 - коаксиальный резонатор в цепи сетка-анод; 4 - настроечные поршни; 5 - триод

Рис. 2.7. Конструкция металлоке-

рамического триода: / - анод; 2 -сетка; 3 - катод; 4-кера

ческие потери в междуэлектродных изоляторах уменьшаются за счет применения ЩШ высокочастотной керамики с малыми потерями. Современные миниатюрные ме- таллокерамические триоды имеют предельную рабочую частоту до 10 ГГц.

Особой разновидностью ламп с дисковыми вводами является карандашный

fтриод (рис. 2.8). Эта лампа, в отличие от маячковых и метал.покерамических триодов, имеет цилиндрическую конструкцию э.пектродов, что позволяет получить большую рабочую поверхность электродов при сравнительно малых габаритах лампы. Вместе с тем достичь предельно малых междуэлектродных расстояний и незначительных емкостей в цилиндрической конструкции труднее, чем [) плоской. Карандашные триоды применяются для генераций маломощных колебаний в диапазоне от 300 до 3000 МГц.

В качестве мощных генераторных ламп в длинноволновой части диапазона метровых волн применяются преимущественно триоды с водяным или воздушным охлаждением анодов, в конструкции которых учтены требования, предъяв-- ляемые к сверхвысокочастотным лампам. В коротковолновой части диапазона метровых поли применяются мощные генераторные триоды, нмеюшие специальную конструкцию. Кольцевые своды электродон этк.ч ламп of).ia:iaiOT яи.ччтель-



о меньшими индуктивностью н омическим сопротивлением, чем стержневые воды, н позволяют легко соединить лампу с колебательной системой.

Для уменьшения потерь металлические выводы ламп покрывают тонким лоем хорошо проводящего металла (серебро, золото). Диэлектрические потерн в междуэлектродных изоляторах уменьшают путем применения высокочастотной j<epaMHKH с малыми потерями, а также путем уменьшения объема изоляторов.

Недостатком свч триодов является малый кпд н низкий коэффициент усиления по мощности, обусловленный большим током сетки и необходимостью ис-лользования схемы с общей сеткой. Это обстоятельство привело к разработке


Рис. 2.8. Конструкция карандашного триода: / - анод: 2 - дисковый вывод сетки; 3 - катод; 4 - цилиндрическая сетка

тетродов для работы в схемах усиления с общим катодом. Экранирующая сетка, яомещенная между управляющей сеткой н анодом, резко уменьшает проходную мкость Сак и полностью устраняет самовозбуждение усилителей.

На экранирующую сетку тетрода обычно подается высокое постоянное напряжение, равное напряжению на аноде. Благодаря этому электроны, пройдя управляющую сетку, ускоряются сильным постоянным полем в промежутке между сетками и время их пролета к аноду уменьшается. В итоге импульс наведенного анодного тока размазывается меньше, повышается амплитуда первой гармоники тока, что увеличивает электронный кпд.

В связи с большей сложностью конструкции тетроды изготавливаются преимущественно для генерации импульсов больших мощностей в дециметровом диапазоне и в коротковолновой части метрового диапазона. Электроды обычно имеют цилиндрическую конструкцию. Обе сетки, а иногда и катод составляются 3 большого числа стержней, расположенных по образующим цилиндров соответствующих радиусов. Дннатронный эффект ослабляется использованием лучевой структуры электронного потока и удалением анода от экранной сетки на сравнительно большое расстояние. Такие тетроды имеют металлостеклянную конструкцию и кольцевые вводы всех четырех э.пектродов, что позволяет сочленять ее с полыми колебательными системами. Кольцевые вводы становятся частью колебательной коаксиальной системы. Анод снабжен радиатором для воздушного охлаждения.

Для генерирования сверхмощных ксчебаний свч диапазона конструктивное разделение лампы и колебательной системы из-за больших потерь в соединениях оказывается нерациональным. Поэтому электроды лампы изготавливаются совместно с колебательной системой, а резонаторные полости помещаются в ва-г.уум. Примером может служить мощный тетродный генератор, названный резнатроном, который в дециметровом диапазоне отдает среднюю мощность 50- 70 кВт при кпд 60-65%.

Триодные и тетродные генераторы обладают рядом достоинств по сравнению с другими типами генераторов свч. К их числу относятся сравнительно низкие питающие напряжения, отсутствие устройств для фокусировки электронного потока, достаточно высокий кпд. сравнительно высокая стабильность частоты по отношению к изменению напряжения питания. Стабильность частоты трнодных

генераторов в несколько раз выше, чем у аналогичных генераторов на отражательных клистронах. Следует отметить также малую стоимость триодов.

Недостатком трнодных и тетродных генераторов является сложность конструкции контуров и наличие нескольких органов настройки генератора, трудность электронной перестройки частоты н резкое снижение кпд при приближении к предельной длине волны лампы.

Тетроды свч применяются в основном в выходных каскадах мощных передатчиков. Например, в телевизионном передатчике Ладога , предназначенном для черно-белого н цветного телевизионного вещания в диапазоне 470-620 МГц. е выходном каскаде используется металлокерамнческнй тетрод типа ГС-17Б с выходной мощностью 7 кВт [22].

Триоды свч применяются в качестве генераторов и усилителей средней мощ-i ностн, а также в качестве преобразователей и умножителей частоты. В передатчике Ладога металлокерамнческнй триод типа ГС-14Б работает уснлите-1 лем-умножнтелем.

Триоды свч используются во входных усилителях приемников свч в диапазоне волн до 10 см. На более коротких волнах триодные усилители слабых сигналов из-за высокого уровня внутриламповых шумов не применяются.

Металлокерамические триоды и тетроды используются также в передатчиках радиорелейных линий связи с временным уплотнением н импульсной модуляцией.





ГЛАВА ТРЕТЬЯ

КЛИСТРОНЫ

§ 3.1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ДВУХРЕЗОНАТОРНЫИ КЛИСТРОН

Клистроны относятся к приборам свч с динамическим управлением электронным потоком. Различают пролетные и отражательные клистроны. Общим признаком всех клистронов являются скоростная модуляция и последующее 1преобразование ее в модуляцию электронного потока по плотности.

Рассмотрим .рис. 3.1. На пути движения электронного потока размещены два тороидальных резонатора, в центральных стенках которых есть одно или несколько отверстий для прохождения

-.1 +

г

ш

Рис. 3.1. Двухрезонаторный усилительный клистрон:

/ - катод; 2 - коллектор

электронов. Первый резонатор называется входным или модулятором. Второй резонатор называется выходным. Пространство между ними называется пространством дрейфа или группировки. Электроны, эм1нттируемые катодом, ускоряются постоянным напряжением Vq и попадают в узкий зазор между сетками / и 2 первого (резонатора. Между иими имеется продольное высокочастотное электрическое поле, которое периодически ускоряет и замедляет электроны, т. е. модулирует скорость электронов. Считаем сетки идеально проницаемыми для электронов и идеально непроницаемыми для электрических вы.сокочастотных полей. В пространстве дрейфа за .счет различных скоростей происходит группировка электронного потока, т. е. преобразование модуляции элек-TipoHHOiTO .потока по скорости в модуляцию по плотности. Модулированный электронный поток поступает во второй резонатор и наводит так, протекающий по внутренней поверхности стенок резонатора. Между сетками резонатора возникает электрическое высокочастотное поле, которое тормозит электроны. В выходном резонаторе кинетическая энергия электронов, полученная ими от источника ускоряющего напряжения преобразуется в энергию свч колебаиий и поступает в нагрузку. Электроны, 1прошедш.ие че-

г ро

! (рез второй зазор, оседают на коллектор, на котором они рассеивают оставшуюся часть кинетической энергии в виде тепла.

Рассмотрим более детально явления, происходящие в прост-завстве дрейфа. Под действием постоянного ускоряющего наиря-жения Do, приложенного между катодом и сеткой /, электр.оны приобретают iCKoipocTb Ve. С этой скоростью они входят в зазор резонатора, образованный сетками 1 я 2. Сначала рассмотрим достаточно! уз1К1ий зазор, так что время пролета электрона через него много меньше периода колебаний. Между сетками прило-<ено модулирующее напряжение fisinw/. Тогда .скорость электронов на выходе первого зазора

v = Y 2(Uo + UiSina>t) =u,/l + sinw. (3.1)

Считая, что амплитудное значение переменного напряжения .ного меньше ускоряющего напряжения, т. е. UJUol, скорость лектрона v можно вычислить по приближенной формуле

и = иД 1 + 0,5 (UjUo) sin О) t). (3.2)

Выражение (3.2) получено путем разложения (3.1) в степенной ряд по малому параметру UJUo. Уравнение (3.2) показывает, что поток электронов с однородной плотностью и состоящий из электронов, двигающихся с одинаковой скоростью, после прохождения через зазор первого резонатора состоит из электронов со скоростями Ve+Av, гдс Av=0,5ve(Ui/Uo)sin<i>t. Такой поток электронов называется модулированным по скорости. .В течение одного лолупериода электроны будут выходить из зазора с увеличенными скоростями, а в течение другого - с уменьшенными. Это .п(риво(ДИТ к тому, что на некотором расстоянии от зазора быстрые электроны догоняют и перегоняют более медленные. В результате этого модулированный по жорости поток электронов преобразуется в модулированный по плотности поток, характеризующийся .наличием сгустков и разрежений.

Рассмотрим рис. 3.2. По вертикальной оси отложено расстояние от зазора, а по горизонтальной - время. В нижней части рисунка изображено переменное высокочастотное напряжение на сетках входно.го резонатора. График движения каждого электрона представляет собой прямую, наклон которой определяется скоростью электрона. До модулятора электронный поток является однородным по плотности и скорости, поэтому графики движения ектронов имеют одинаковый наклон и разделены одинаковы-и дременными интервалами. Точки пересечения прямых с осью времени определяют входную фазу электронов в про.странство дрейфа. Считаем, что электроны скачкообразно изменяют свою скорость в момент прохождения центра зазора. Диаграмма наглядно показывает что в потоке электронов образуются сгустки и разрежения. Для тех электронов, которые проходят высокочастотное поле, когда оно является тормозящим, наклон прямых уменьшается, для других - увеличивается. В результате пучок



1 2 [ 3 ] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30