Файл: Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник.pdf

Н.Д.Ф ЕДОРОВ

ЛЕКТРОННЫЕ И КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ

АТОМ ИЗДАТ*1974

Н. Д. ФЕДОРОВ

ЭЛЕКТРОННЫЕ И КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ

Д опущ ено М инистерством высшего и среднего специального образования С С С Р в качестве учебника для студентов

радиотехнических специальностей вузов

М О С К В А А Т О М И З Д А Т 1974

предусмотренный программой, и объем учебника невелики. По­ следнее предъявляет требования к изложению материала и застав­ ляет особое внимание уделить принципам работы распространенных сейчас приборов, их основным характеристикам и важнейшим па­ раметрам, без чего невозможно в последующих специальных радио­ технических дисциплинах успешное изучение устройств с исполь­ зованием электронных и квантовых приборов в СВЧ- и оптическом диапазонах. Поэтому в книге не рассматриваются те вопросы теории и особенности конструкции приборов, которые необходимы в пер­ вую очередь проектировщикам, разработчикам этих приборов, и излагаются в учебниках по соответствующим специальностям.

Небольшой объем книги и необходимость дать более конкретное представление о приборах, которые студент будет использовать при курсовом и дипломном проектировании, заставляют излагать мате­ риал по типам приборов. Однако там, где это целесообразно, рас­ сматриваются вопросы, общие для нескольких приборов.

Предполагается, что студент знаком с принципами работы элект­ ровакуумных и полупроводниковых приборов, с квантовой меха­ никой и физикой твердого тела, с электродинамикой и техникой СВЧ и другими вопросами, изложенными в курсах, предшествующих курсу «Электронные и квантовые приборы СВЧ». В случае необхо­ димости дается краткое напоминание о материале этих курсов.

Книга написана с учетом многолетнего опыта автора по чтению соответствующего лекционного курса в Московском ордена Трудо­ вого Красного Знамени электротехническом институте связи. В книге сверх программы включена глава о полупроводниковых приборах СВЧ, получивших в последние годы применение. Посколь­ ку учебник предназначен для студентов', в список литературы не включены статьи и некоторые монографии, использованные при подготовке рукописи.

Рукопись была подготовлена в то время, когда еще не было учеб­ ников, содержащих одновременно разделы по электронным и кван-

3

ВВЕДЕНИЕ

Сверхвысокочастотными колебаниями (СВЧ) называют колеба­

ния с частотой f > 300 МГц или длиной волны X <ü 1 м.

Принято следующее деление на диапазоны по длине волны и частоте:

К субмиллиметровым волнам примыкает диапазон оптических волн (инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения).

Впервой части книги рассмотрены электронные приборы СВЧ. Любое электронное устройство для усиления или генерирования

колебаний является преобразователем энергии постоянного тока

вэнергию колебаний при помощи электронного потока.

Вобычных ламповых усилителях и генераторах, предназначен­

ных для сравнительно низких частот, используется электростати­ ческое управление электронным потоком. На этих частотах время пролета электронов между электродами лампы много меньше перио­ да колебаний и влиянием времени пролета можно пренебречь. Рас­ пределение переменного электрического поля в лампе в течение времени пролета рассматриваемого электрона остается неизмен­ ным. Переменное напряжение на управляющем электроде лампы вызывает синфазное изменение плотности электронного потока

(отсутствие инерционности).

На СВЧ время пролета электронов между электродами стано­ вится сравнимым с периодом усиливаемых или генерируемых коле­ баний. За время пролета переменное напряжение на электродах успевает заметно измениться. Это приводит к ослаблению эффекта изменения (модуляции) плотности электронного потока, резкому падению полезной мощности, коэффициента усиления и к. п. д. Кроме того, на СВЧ длина волны становится сравнимой с размерами электродов и их выводов, т. е. лампу необходимо рассматривать как систему с распределенными параметрами. При этом электроды становятся «антеннами» и возможна значительная потеря энергии

5

колебаний из-за излучения. На СВЧ очень сильно проявляется влия­ ние индуктивностей выводов и междуэлектродных емкостей и по­ терь в материале электродов, баллоне и изоляторах. Последние факторы снижают коэффициент усиления, полезную мощность и к. п. д. электронных ламп при повышении частоты.

Для того чтобы лампы с электростатическим управлением рабо­ тали лучше, на СВЧ необходимо:

1) уменьшить линейные размеры электродов и повысить напря­ жение (уменьшить время пролета);

2)уменьшить индуктивность выводов электродов (параллель­ ные, дисковые и цилиндрические выводы с большой поверхностью);

3)использовать рациональную конструкцию электродов (коак­

сиальную), позволяющую согласовать лампу с внешней колебатель­ ной системой;

4) применять специальные СВЧ диэлектрические материалы с малыми потерями.

Все эти меры позволили создать лампы для усиления и генери­ рования колебаний вплоть до сантиметрового диапазона волн (сверх­ миниатюрные лампы, лампы карандашного и маячкового типа, металлокерамические лампы). Однако мощность и к. п. д. этих ламп из-за малых размеров электродов невелики. Главное, что эти меры принципиально не позволяют продвинуться выше по шкале частот.

Параллельно с усовершенствованием электронных ламп были разработаны специальные электронные приборы, основанные на ис­ пользовании времени пролета электронов (клистроны, лампы бегу­ щей волны, магнетроны и др.). В некоторых приборах мощность колебаний составляет несколько киловатт в непрерывном режиме, а к. п. д. — 60—80%. Создание новых приборов СВЧ стало возмож­ ным в результате использования метода динамического управления электронным потоком, идея которого была высказана в 1932 г. со­ ветским ученым Д. А. Рожанским. Сущность метода заключается в том, что на постоянный по плотности поток электронов, имеющих одинаковую скорость, воздействует СВЧ-поле, которое изменяет по периодическому закону во времени скорость электронов (моду­ ляция скорости). Вследствие получающейся разницы в скоростях электроны при движении изменяют взаимное положение относитель­ но друг друга так, что при определенных условиях может произойти образование в электронном потоке областей с повышенной плотно­ стью (сгустков). Такой процесс преобразования постоянного по плотности электронного потока в поток, изменяющийся в простран­ стве и во времени, называют группированием или модуляцией элект­ ронного потока по плотности. Далее необходимо обеспечить пере­

дачу энергии колебаний от электронного потока колебательной системе.

Таким образом, особенности динамического управления элек­ тронным потоком состоят в модуляции электронов по скорости, превращении модуляции по скорости в модуляцию по плотности и в передаче энергии колебаний от модулированного по плотности

6

потока колебательной системе. При этом время пролета имеет ре­ шающее значение, так как только в процессе движения электронов происходит их группирование.

Электронные приборы СВЧ по характеру энергообмена между электронным потоком и колебательной системой (или полем) под­ разделяются на приборы типа О и типа М.

В приборах типа О происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ-поля в результате торможения электронов этим полем. Магнитное поле или не используется сов­

СВЧ-полем подразделяются на приборы с кратковременным (пре­ рывным) и длительным (непрерывным) взаимодействием. В пер­ вом случае используется взаимодействие электронов с СВЧ-полем резонаторов, а во втором •— с бегущей волной.

Приборы с кратковременным взаимодействием одновременно яв­ ляются приборами типа О (пролетные и отражательные клистроны). Приборы с длительным взаимодействием могут быть как типа О — лампа бегущей волны типа О (ЛЕВО), лампа обратной волны типа О (ЛОВО), так и типа М — лампа бегущей волны типа М (ЛБВМ), лампа обратной волны типа М (ЛОВМ), магнетрон, платинотрон и др.

На рисунке приведены значения мощности некоторых электрон­ ных приборов СВЧ, достигнутые на различных частотах в непрерыв­ ном (сплошные кривые) и в импульсном (пунктирные кривые) режи­ мах. Сейчас особенно интенсивно развивается полупроводниковая электроника СВЧ. Туннельные диоды уже давно применяются в раз­ личных маломощных схемах СВЧ. В последние годы разработаны СВЧ транзисторы, однако их рабочая частота, по-видимому, не пре­ высит 10 ГГц. Весьма перспективна разработка генераторов и дру­

7