Файл: Приемные устройства радиолокационных сигналов конспект лекций..pdf

сечения 3. Один конец волновода соединен с генератором накачки, а на втором конце расположена согласованная нагрузка (поглоти­ тель) 4.

Таким образом, в волноводе существует бегущая волна электро­ магнитных колебаний сигнала (вдоль замедляющей системы) и бегущая волна колебаний накачки.

Для устранения отраженной волны вдоль волновода располо­ жен еще один кристалл рубина с большим содержанием ионов хро­ ма (до 0,5—1%) 5, который в постоянном магнитном поле обладает вентильными свойствами. Вся система помещена в жидкий гелий. Постоянное магнитное поле создается соленоидом 6 из никель-цир- кониевого провода, расположенным непосредственно на волноводе я тоже находящимся в жидком гелии. Никель-цирконий при тем­ пературе жидкого гелия становится сверхпроводящим, что позво­ ляет уменьшить расход энергии и габариты.

Коэффициент шума и коэффициент усиления мощности кванто­ вого усилителя бегущей волны такие же,, как и у резонаторного усилителя, но полоса пропускания значительно шире (до сотни мегагерц в сантиметровом диапазоне волн).

Усилитель необратим, т. е вход и выход его не взаимозаменяе­ мы и, следовательно, не требуется постановки циркулятора или вен­ тилей.

Некоторым недостатком является то, что габариты волновода с замедляющей системой больше габаритов резонатора.

79

5.7. Особенности применения квантовых усилителей СВЧ в радиолокации

Как и все другие типы усилителей высокой частоты, квантовые усилители имеют ограниченный динамический диапазон. При вход­ ной мощности порядка 10-s — ІО-7 ' Вт наступает перегрузка уси­ лителя (насыщаются уровни №3 , W2).

Однако в отличие от других типов усилителей время восстановле­ ния усилительных способностей после прекращения перегрузки у квантовых усилителей очень велико (от сотых долей секунды до одной десятой). В результате применение квантовых усилителей в импульсных радиолокаторах до недавнего времени было невозмож' ным, ибо просачивающаяся на вход приемника мощность зондиру­ ющего импульса значительно превышает ІО- 7 /?/«.

Реализация антенных переключателей с развязкой ІО13— 10й и малым уровнем собственных шумов не представляется возможной и поэтому область применения квантовых усилителей СВЧ была ограничена только такими устройствами, в которых приемник рас­

импульс, и кончающийся через несколько микросекунд после окон­ чания зондирующего импульса. Импульс тока изменяет постоянное магнитное поле соленоида, в котором находится рабочее вещество и в соответствии с эффектом Зеемана на время действия импульса тока изменяется разность энергий уровней №3 —W2. Рабочее ве­ щество не взаимодействует с электромагнитными колебаниями зон­ дирующего импульса, так как оно расстроено по частоте. Насыще­ ния уровней W3 и W2 не происходит, и после прекращения импуль­ са тока восстановливается прежняя разность энергий уровней, а населенности их практически не меняются.

Таким образом, усилитель снова способен усиливать сигнал приблизительно через .10—15 мкс после окончания зондирующего импульса.

Вторым серьезным недостатком, ограничивающим применение квантовых усилителей, является необходимость охлаждения резо­ натора (волновода) с рабочим веществом до температуры жидкого гелия.

Для этого требуются криогенные установки, потребляющие зна­ чительную мощность (киловатты) и имеющие большие габариты.

Однако, несмотря на этот недостаток, квантовые усилители СВЧ благодаря исключительно низкому уровню собственных шумов на­ ходят в настоящее время все большее и большее применение.

ЛИТЕРАТУРА 1. Штейншлегер В. Б., Мисежников Г. С., Лифанов П. С., Квантовые уси­

лители СВЧ (мазеры). Издательство «Сов. радио», 1971.

«О

6

УСИЛИТЕЛЬ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ НА ЛАМПЕ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

6.1. Введение

По мере, роста частоты усиливаемых колебаний усилительные свойства электронных ламп и транзисторов ухудшаются (увеличи­ вается входная проводимость электронных ламп, уменьшается кру­ тизна прямой передачи транзисторов, растет уровень внутренних шумов). По этим причинам рассмотренные ранее ламповые УВЧ на частотах более 1500—2000 МГц оказываются неработоспособными. В связи с этим по мере освоения сантиметрового диапазона волн возникла потребность в усилительных приборах, работающих на иных принципах.

Первым типом малошумящего УВЧ сантиметрового диапазона волн был усилитель на лампе бегущей волны (ЛБВ), внедренный в приемные устройства радиолокационных станций в начале 50-х го­ дов. С тех пор усилитель на ЛБВ непрерывно совершенствовался

и до настоящего времени находит широкое применение в качестве УВЧ приемных устройств сантиметрового диапазона.

6 .2 . Устройство ЛБВ

Общий вид усилителя на ЛБВ представлен на рис. 59 и рис. 60. Устройство ЛБВ поясняет рис. 61. В ее состав входит:'

— электронная пушка (оксидный подогревный катод 1, управ­ ляющий электрод 2, анодные электроды 3, и коллектор 4), созда­ ющая электронный пучок;

—фокусирующая система (выполнена, как правило, в виде со­ леноида из последовательно соединенных катушек 6), создающая постоянное продольное (по отношению к электронному пучку) магнитное поле высокой напряженности;

—замедляющая система в виде проволочной спирали 7, замед­ ляющая фазовую скорость волны электрического поля усиливаемых колебаний до скорости электронов в пучке;

Рис. 59

Рис. 60

82

— входные и выходные устройства (в виде волноводов 8, согла* сованных с замедляющей системой), обеспечивающие подвод и вы­ вод энергии усиливаемых колебаний.

Рис. 61

6.3. Принцип действия УВЧ на ЛБВ

Принцип действия УВЧ на ЛБВ основан на длительном взаимо­ действии электронного потока с бегущей волной электрического поля усиливаемых колебаний. В результате такого взаимодействия осуществляется преобразование кинетической энергии движущихся в пучке электронов в энергию электромагнитного поля усиливаемых колебаний. Кинетическую энергию электроны приобретают за счет действия на них ускоряющего электрического поля, создаваемого источниками постоянных напряжений (анодного Uaи коллекторно­ го Uк ). Преобразование кинетической энергии электронов в энер­ гию усиливаемых колебании осуществляется путем торможения движущихся электронов электрическим полем усиливаемых колеба­ ний, распространяющимся в замедляющей системе.

Длительное взаимодействие потока электронов с электромаг­ нитным полем возможно при выполнении следующих двух условий:

При приемлемых на практике величинах ускоряющих напряже­ ний скорость электронов ѵъ много меньше фазовой, скорости элек-

83

I

тром.агнитной волны в свободном пространстве, равной скорости распространения света. Поэтому выполнение вышеуказанных усло­ вий длительного взаимодействия возможно при соответствующем замедлении фазовой скорости электромагнитной волны. Для этой цели применяется замедляющая система, которая обеспечивает ра­ венство скоростей и, кроме того, создает такую конфигу­ рацию электромагнитного поля, при которой существует состав­ ляющая электрического поля, направленная вдоль потока электро­ нов. Примером такой замедляющей системы является проволочная спираль (рис. 62).

Электромагнитная волна, поданная на вход спирали, оббегает виток за витком со скоростью, близкой к скорости света с. Распро­ странение же ее вдоль оси будет замедлено во столько раз, во сколько шаг спирали а меньше длины ее витка, т. е.

Подбором величин а, г и Ua3 добиваются равенства

^2“ 600Ѵ Ч 2-

При этом і>фж г>9

Рис. ез

На рис. 63 показано сечение замедляющей спирали вдоль ее оси и конфигурация электрических силовых линий поля бегущей

84

волны усиливаемых колебаний. Как видим, в спирали образуется продольная составляющая электрического поля в области потока электронов.

Произведем качественный анализ взаимодействия электронного потока с бегущей волной электрического поля.

Запишем продольную составляющую бегущей вдоль оси z волны электрического поля в виде

£,2=£'1 sin((u/4-P0 0.

где

Ро— 1 7 — фазовая постоянная.

электронный поток со скоростью ѵъ. Для удобства анализа введем систему координат, движущуюся в положительном направлении оси z со скоростью ■УфКоордината некоторой , точки в этой системе связана с координатой этой же точки в неподвижной системе ко­ ординат равенством

. . 2 = Д , -г,Уфі.

Тогда продольная составляющая поля в движущейся системе коор­ динат

£ г=г f jSln =£'jsiri ß0Z',

ы~

т.e. в движущейся системе координат напряженность поля не за­

висит от времени, а зависит от координаты Z'. ‘ Условно примем, что положительная полуволна напряженности электрического поля ускоряет электроны, а отрицательная — замедляет. Пусть в на­ чальный момент времени t= 0 электроны равномерно распределены вдоль замедляющей системыі (рис. 64).....................

Рассмотрим траектории движения электронов при ѵэ>Ѵф. Пред­ положим, что поле в спирали отсутствует (на вход спирали сигнал не подается). Тогда за отрезок времени t= l\ электроны равномерно смещаются вдоль оси z’- (см. пунктир на рис. 64).

85

Теперь предположим, что в момент t= 0 на вход спирали подан сигнал. Тогда электроны 1, 2, 5, 6, попав в ускоряющее поле, полу­ чат ускорение, а электроны 3, 4, 7, 8, оказавшись в тормозящем поле, затормозятся. В результате такой модуляции электронов по скорости за некоторый промежуток времени U электроны соберутся в «сгустки», которые расположатся в тормозящих полях. Обладая некоторым превосходством в скорости по сравнению с волной усилив.аемых колебаний, сгустки теряют свою кинетическую энергию в результате торможения, а электромагнитное поле, приобретая эту энергию, усиливается.

Таков в общих чертах механизм преобразования кинематической энергии электронов в энергию усиливаемых колебаний.

Аналогичное рассмотрение взаимодействия электронного потока с бегущей волной при условии ^э— убеждает в том, что группи­ ровки электронов образуются в местах, где £ ^ = 0 , а поэтому энер­

гетического обмена между электронным пучком и волной не проис­ ходит. Если рассмотрим случай'Цэ<т'ф.то увидим, что группировки электронов окажутся в ускоряющем поле. При этом кинетическая энергия электронов будет увеличиваться за счет ослабления энер­ гии поля.

Итак, усиление в ЛБВ возможно при соблюдении условия

ѵэ=Ѵф+Ьѵ.

При этом Дт» должно быть таким, чтобы сгустки за время рас­ пространения их вдоль'спирали /с не опережали электрическое

поле более чем на -у-, т. е.

Ш с< .

Это условие обеспечивается установкой оптимального значения ускоряющего напряжения Ua2 так, чтобы выполнялось равенство

6.4. Основные качественные показатели УВЧ на ЛБВ

а) Коэффициент усиления по мощности

По определению

В случае равенства входного и выходного сопротивлений

О)

8&

Напряженность электрического поля вдоль оси спирали от входа к выходу растет по экспоненте

Ег= Е ,е к

где

=-д- Евх'і

Г— параметр, определяемый режимом работы ЛБВ. При вы­

Если выберем п—60-^70, то A!P[Ö£]=40-T-50.

Однако реализовать такой коэффициент усиления не удается, поскольку ввиду погрешностей в согласовании спирали с нагрузкой в широкой полосе частот возникает отраженная волна. В результа­ те между входом и выходом образуется достаточно сильная поло­ жительная обратная связь, которая приводит к самовозбуждению. Для устранения самовозбуждения в ЛБВ вводят ослабитель отра­ женных волн 9 (рис. 61).

Ослабитель выбирается так, чтобы вносимое им затухание было минимальным, но достаточным для устойчивой работы ЛБВ. Это условие выполняется, когда затухание, вносимое ослабителем, рав­ но усилению ЛБВ.

Так, если требуемый Кр= 20 дБ, то ослабитель должен быть так­ же на 20 дБ, т. е. при отсутствии ослабителя ЛБВ должна обеспе­ чить усиление, равное 40 дБ.

Ослабители выполняются в виде тонкого слоя аквадага, наноси" мого «а изоляторы, поддерживающие спираль, либо на поверхность колбы.

б) Полоса пропускания

Поскольку в механизме усиления ЛБВ не участвуют резонанс­ ные элементы, то полоса пропускания собственно ЛБВ составляет

87