Файл: Басалов Ф.А. Некоторые вопросы техники сверхвысоких частот [конспект лекций].pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 64
Скачиваний: 0
Следствием |
увеличения |
потерь в колебательной |
системе |
||||||
является уменьшение |
ее |
добротности |
Q |
и, |
соответственно, |
||||
уменьшение |
ее эквивалентного |
сопротивления R 3, |
которое, как |
||||||
известно, равно |
р — |
Q |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Из этой формулы видно, что если даже |
пренебречь |
уменьше |
|||||||
нием Q, то все равно с ростом частоты |
w |
величина |
R3 будет |
||||||
уменьшаться. |
Увеличить |
величину |
R3 |
за счет |
уменьшения |
||||
Сэ затруднительно, так |
как минимальная |
емкость |
колебательной |
||||||
системы ограничена междуэлектродными емкостями лампы гене ратора.
Колебательная система является нагрузкой лампы генератора.
Как известно, |
для получения наибольшей |
полезной мощности |
|||
сопротивления |
лампы генератора |
и его |
нагрузки |
должны быть |
|
согласованы. Уменьшение R 3 с ростом |
частоты затрудняет такое |
||||
согласование, |
вследствие |
чего |
полезная |
мощность |
|
р = — / 2 |
и к.п.д. генератора также |
уменьшаются. |
|||
2 а1 Rb |
|
|
|
|
|
Учитывая указанные затруднения, в ламповых генераторах СВЧ колебательные системы в виде контуров с сосредоточен ными параметрами почти не используются. Здесь применяются колебательные системы с распределенными параметрами в виде отрезков двухпроводных линий (в метровом диапазоне) или коаксиальных линий (в дециметровом диапазоне). Подобные колебательные системы имеют малые тепловые потери и потери на излучение (в коаксиальных линиях потерн на излучение сов сем отсутствуют). Поэтому добротность таких колебательных систем выше, чем добротность колебательных систем с сосредо точенными параметрами.
3. Влияние инерции электронов |
|
|
||
В диапазоне СВЧ резко проявляет себя |
инерция |
электро |
||
нов — время пролета |
электронов от одного |
электрода |
лампы к |
|
другому становится сравнимым с периодом генерируемых |
коле |
|||
баний. Лампа уже не является безынерционным прибором, |
как |
|||
это практически было на более низких частотах. |
время |
|||
Для оценки влияния инерции электронов |
определим |
|||
пролета электронов |
между электродами лампы "11р. Это время |
|||
можно сравнительно легко найти, если предположить, что элект
роны движутся |
между двумя плоскими электродами с разностью |
|||
потенциалов U |
между ними |
(рис. |
14). Тогда величину си- |
|
лы F3, действующей на электрон |
со |
стороцы электрического |
||
поля, можно записать как |
еЕ |
|
||
или |
|
|
||
сРх |
|
и_ |
|
|
|
|
|
||
|
т cm |
— е |
d |
|
13
где е — заряд электрона, Е — напряженность электрического поля, т — масса электрона, d — расстояние между электро дами.
Для определения времени пролета тпр необходимо иметь; функцию x = f(t), которую можно'найти, проинтегрировав дважды последнее уравнение. После первого интегрирования получим;
dxdt = V = eUmd |
Vо- |
Допустим, что начальная скорость электрона У0 = 0.
d
U
о
Рис. 14.
Тогда после второго интегрирования можно найти время про-
d |
|
Tnp |
|
С , |
еи |
J |
tdi |
1d x ~ md |
|
|
|
*0 |
|
0 |
|
|
|
Л |
|
d — |
eU |
vnp |
, |
|
md |
2 |
’ |
~np = d *|/ |
2m |
||
eU |
|||
Таким образом, время пролета электронов тпр определяется разностью потенциалов U и расстоянием d между электродами. Если в последнюю формулу подставить значения заряда и мас сы электрона, выразить d в миллиметрах, a U в вольтах, то получим следующее выражение:
|
|
хпр(сек) = |
d (мм) . „-8 |
|
|
|
||
|
|
3УТЩ ~ |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
У мощных генераторных триодов обычного типа |
расстояние |
|||||||
между электродами |
бывает |
|
порядка нескольких |
миллиметров, |
||||
напряжение |
между |
катодом |
|
и сеткой-— порядка |
сотен |
вольт, а |
||
напряжение |
между |
сеткой |
и анодом — порядка |
тысяч |
вольт. |
|||
Определим для примера время пролета электронов |
между ка |
|||||||
тодом и сеткой лампы генератора, взяв |
d — 1 мм, a |
U — 100 в: |
||||||
|
vnp |
—У-----10~8 = 0,33 • |
10~9сек, |
|
|
|
||
|
|
3 ) А Т о Г |
|
|
|
|
|
|
14
Сравним эту величину с периодом колебаний.
1. Если лампу с подобными |
параметрами использовать для |
генерирования колебаний с >.= |
100 м, то при этом период коле |
баний будет равен . |
|
100 |
= 333 • 1(Г9 сек. |
3 -1 0 8 |
|
Следовательно, в этом случае |
7">-Iip и лампа является практи |
чески безынерционным прибором.
2. Если эту же лампу использовать для генерирования коле
баний СВЧ, например, |
с >.= 1 м, |
то при этом |
Г = — |
.= |
= 3,3 • 1(Г9 сек. |
со - 10®
Вэтом случае период колебаний мало отличается от времени пролета электронов. При дальнейшем росте частоты (уменьше нии >•) это отличие становится еще меньшим. Лампа уже не является безынерционным прибором, нормальная работа лампо
вого генератора нарушается.
Большой вклад в развитие теории ламповых генераторов с учетом влияния инерции электронов сделан советскими учеными Г. А. Гринбергом, М. С. Нейманом, В. Е. Никольским, В. Ф. Ко
валенко |
и другими. |
инерции |
электронов |
пользуются |
поня |
||||||
Для |
оценки влияния |
||||||||||
тием угла пролета ?пр, |
который |
определяется |
как |
|
|
|
|
||||
|
|
|
-пр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пр |
7 " 360° |
|
|
|
|
|
|
|
|
и показывает, на какую величину изменится |
фаза |
переменного. |
|||||||||
напряжения между электродами за время |
пролета |
электронов |
|||||||||
между ними. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В нашем примере: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1) соI пр |
0,33-107 |
-360 = |
0,36°; |
|
|
|
|
|||
|
|
333 ■1(Г |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,33 ■1(г9 |
360 = |
36'. |
|
|
|
|
|
||
|
|
3,3 - 10“ 9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если учесть время пролета электронов |
между |
|
катодом |
и |
|||||||
анодомлампы генератора, то величина угла |
пролета |
<эп]Г |
будет |
||||||||
большей.- |
инерции электронов |
является сдвиг |
по |
||||||||
Следствием влияния |
|||||||||||
фазе анодного тока лампы относительно напряжения |
на ее сет |
||||||||||
ке на величину угла ©пр (при |
максимальном |
положительном |
|||||||||
напряжении на сетке из объемного заряда |
у |
|
катода |
к |
аноду |
||||||
отправляется максимальное число электронов. Пока |
|
они |
прой |
||||||||
дут расстояние между катодом и анодом, мгновенное |
значение |
||||||||||
напряжения на сетке уже будет другим, т. |
е. |
положительные |
|||||||||
максимумы Ug и /а1 будут сдвинуты во времени |
на величину тпр). |
||||||||||
15
Как известно, в ламповых автогенераторах напряжения на сетке
и на аноде за счет обратной связи противоположны |
по фазе, а |
|||
напряжения на сетке |
и на колебательном |
контуре |
совпадают |
|
по фазе. Указанные фазовые соотношения |
иллюстрируются |
век |
||
торной диаграммой (рис. 15). |
|
|
|
|
На более низких частотах, когда угол |
пролета |
пренебре |
||
жимо мал, полезная |
мощность генератора определяется |
как |
||
|
Р = ~г Г. |
2 !'dlr UK |
|
|
В диапазоне СВЧ, при наличии угла пролета 'fIip, полезная мощность будет определяться другим выражением
Р = 2 |
COS <fnp, |
из которого видно, |
что с ростом частоты |
(с увеличением угла ?пр) полезная мощность уменьшается. При српр = 90’ ламповый гене ратор вообще не будет работать (Р = 0).
Таким образом, влияние инерции электронов в диапазоне СВЧ . приводит к уменьшению полезной мощности и к.п.д. лампового генератора.
Для уменьшения времени пролета в генераторных лампах СВЧ уменьшают междуэлектродные расстояния и увеличивают напряжения. Но и такие специальные лампы могут удовлетво
рительно работать лишь в метровом |
и дециметровом |
диапазо |
|||
нах. Для генерирования |
колебаний в сантиметровом и миллимет |
||||
ровом диапазонах волн |
используют |
специальные |
генераторные |
||
приборы — клистроны и магнетроны, |
в которых |
инерция |
элект |
||
ронов не является ограничивающим |
фактором, |
а |
используется |
||
как полезный эффект. |
|
|
|
|
|
• 4. Особенности конструкции генераторных ламп СВЧ
Из приведенного выше анализа вытекают следующие специ фические .требования к конструкции генераторных ламп СВЧ:
1)лампы должны иметь возможно меньшие междуэлектрод ные емкости и индуктивности вводов;
2)время пролета электронов между электродами должно
быть возможно меньшим;
3)лампы должы 'удобно сопрягаться с колебательными сис темами в виде отрезков длинных линий;
4)потери энергии в диэлектриках лампы должны быть
возможно меньшими.
Как уже отмечалось выше, многоэлектродные лампы в диа пазоне СВЧ оказываются малоэффективными, поэтому в этом диапазоне используют в основном триоды.
16
В генераторных лампах, предназначенных |
для |
генерирова |
ния колебаний дециметрового диапазона волн, |
особенно резко |
|
видна специфика их конструкции. Рассмотрим |
для примера |
|
устройство некоторых типов таких ламп.
Металлокерамические лампы. Устройство металлокерамиче ской лампы показано на рис. 16. В качестве диэлектрика в этой лампе используется специальная керамика с малыми диэлектри ческими потерями. Для уменьшения времени пролета электронов
Нерамима
расстояния между электродами сделаны очень малыми (десятые доли миллиметра). Геометрические размеры электродов для уменьшения междуэлектродных емкостей делаются малыми.
Лампа имеет |
цилиндрические вводы |
электродов. |
Вследствие |
|||||
этого лампа имеет очень малые индуктивности вводов |
(практи |
|||||||
чески равные нулю) и может удобно сопрягаться с |
колебатель |
|||||||
ной системой |
в виде отрезков коаксиальных |
линий. |
генерирова |
|||||
Металлокерамические |
лампы используются |
для |
||||||
ния колебаний средней |
мощности |
в |
дециметровом |
|
диапазоне |
|||
волн. Например, лампа типа.ГСЛБ |
имеет |
полезную |
мощность |
|||||
в режиме непрерывной |
генерации 360 вт и предельную часто |
|||||||
ту 1 100 мггц, |
лампа типа ГИ-7БМ имеет |
полезную |
|
мощность |
||||
в импульсе 11 |
кет (при длительности |
импульсов 3 -f-10 мксек) |
||||||
и предельную |
частоту 3 250 мггц. |
|
|
|
|
|
|
|
Маячковые лампы. Устройство маячковой лампы показано на рис. 17. Свое название такие л'ампы получили за сходство но форме с башней маяка. Лампы имеют плоские электроды малых размеров и дисковые вводы, электроды расположены на очень малом расстоянии друг от друга. Благодаря указанным кон структивным особенностям маячковые лампы имеют уменьшен ное время пролета, малые междуэлектродные емкости и индук тивности вводов и удобно сопрягаются с колебательными систе
мами в виде |
отрезков |
коаксиальных линий. |
2 Ф. А. Басалов. |
Зак. 129 |
^ |
|
7 Г.ИЧНДЯ |
|
7 - o f J j |
«г |
ГОС |
1 |
/Сс/ |
||
■iAyHi |
_х::: гжспая |
|
