Файл: Брандт, А. А. Плазменные умножители частоты.pdf

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Экспериментальное исследование плазменных умно­ жителей частоты показало, что их отличительной особен­ ностью является способность работать при весьма высо­ ком уровне входной мощности, значительно превосходя­ щем возможности полупроводниковых диодов. Ограни­ чения входной мощности плазменных умножителей связаны лишь с проблемой отвода тепла от разрядной ка­ меры и с разрушением ее электродов при ионной бом­ бардировке. Простота и надежность плазменных умно­ жителей дают основание полагать, что они могут быть использованы даже в диапазонах, обеспеченных в на­ стоящее время электронными лампами или полупровод­ никовыми диодами.

Поскольку подобного рода приборы промышлен­ ностью пока не выпускаются и большинство сведений о их свойствах содержится в разрозненных публикациях,

плазменных умножителей различных диапазонов длин волн.

Работы, опубликованные в США, Канаде, Японии и СССР, преследовали в основном две цели — получение колебаний в миллиметровом и субмиллиметровом диа­ пазонах длин волн и выяснение механизма нелинейно­ сти, ответственного за генерацию гармоник. В первом случае использовались возможно более высокочастот­ ные входные генераторы, имеющиеся в распоряжении экспериментаторов, в то время как при изучении нели­ нейного механизма предпочтение отдавалось более низ­

лее тщательно исследовать особенности конструкции умножителя.

ным образом нелинейные процессы в объеме плазмы, то в последнее время основное внимание уделяется нели­ нейным явлениям на границе металл — плазма. Именно эти процессы, связанные с взаимодействием мощного СВЧ-излучения с границей плазмы, обеспечивают рабо­ ту плазменного умножителя с максимальной эффектив­ ностью преобразования. Анализ этого механизма позво­ ляет объяснить характеристики плазменных умножите­ лей, наблюдаемые разными авторами.

В отличие от обычных умножителей частоты, осно­ ванных на использовании электронных ламп, полупро­ водниковых диодов и пр., при конструировании плазмен­ ных умножителей одной из основных задач является раз­ работка оптимального плазменного элемента (разрядной камеры) и способа его соединения с остальными эле­ ментами высокочастотного тракта. В силу этого при ра­ боте с плазменными умножителями необходимо четкое понимание существа нелинейного механизма, обеспечи­ вающего высокое значение эффективности преобразо­ вания.

Подробно исследованный авторами настоящей книги так называемый плазменный варактор, представляющий собой нелинейный конденсатор, емкость которого зависит от приложенного напряжения, может быть использован

'стройств, отличительной особенностью которых являет­ ся способность работать при высоких уровнях СВЧ-мощ- ности при весьма малых затратах мощности на управ­ ление.

Использование нелинейных эффектов в пограничных областях плазмы, по мнению авторов, открывает широ­ кое поле деятельности при конструировании различных радиофизических устройств СВЧ-диапазона.

Глава I

ПЛАЗМЕННЫЕ УМНОЖИТЕЛИ ЧАСТОТЫ

длин волн. В дальнейших работах, связанных с изучени­ ем плазменных умножителей частоты, делались попыт­ ки получения миллиметровых и субмиллиметровых волн, а также ставилась задача исследования нелинейного ме­ ханизма, обеспечивающего возникновение на выходе ум­ ножителя частот, кратных частоте входного напряжения.

Под плазменным умножителем частоты мы будем понимать некоторое устройство, в котором электромаг­ нитное или электрическое поле входного источника (ге­ нератора), нелинейным образом взаимодействуя с плаз­ мой (создаваемой обычно самим источником), генери­ рует на выходе гармоники входной частоты. В отличие от широко используемых умножителей частоты других типов '{3, 4, 5], плазменные умножители частоты явля­

цепей, связанных с формированием самой плазмы. В лю­ бом варианте плазменного умножителя всегда можно выделить контуры входной и выходной цепей и связыва­ ющий их нелинейный элемент в виде области взаимодей­ ствия излучения входного генератора с плазмой.

Область взаимодействия электромагнитного (или электрического) поля входного генератора с плазмой может представлять собой, как это показано на рис. 2, вакуумированный п заполеиный газом объем 1, облу­ чаемый рупором 2. При достаточной мощности облуче­ ния в объеме 1 возникает плазма высокочастотного раз-

' 'зух

Рнс. 2. Взаимодействие электромагнитного поля с плазмой. 1 — объем, запол­ ненный газом, 2 — рупор генератора, 3 — рупор приемника.

ряда, нелинейным образом взаимодействующая с элект­ ромагнитным полем волны '[6]. В результате этого, при­ емник 3, настроенный на т-ю гармонику, регистрирует наличие выходой мощности PBhtx, излучаемой на ча­ стоте пио.

Устройством, обеспечивающим взаимодействие поля с плазмой, может служить, например, вакуумированная секция волновода [7], изображенная на рис. 3. Плазма

/ 3

Рис. 3. Вакууынрованная секция волновода, / — плазма, 2 —слюдяное окио, 3 — соленоид, 4 — откачка и напуск газа.

здесь образуется за счет энергии входного генератора в более узкой части волновода, где напряженность электрического поля повышена. Волновод может быть по­ мещен между полюсами магнита или внутри соленоида.

Область взаимодействия может представлять собой разрядный промежуток, образованный металлическими электродами той или иной конфигурации. На рис. 4 по­ казаны некоторые типичные разрядные промежутки (разрядные камеры), помещаемые обычно в волновод и используемые в умножителях сантиметрового или

миллиметрового диапазонов. В некоторых умножителях применяются разрядники (рис. 4 — д, з ), представляю­ щие собой сферический (или цилиндрический) объем, окруженный стеклянной колбой и возбуждаемый снару­ жи металлическим штырем. Умножители такого типа мы в дальнейшем будем называть умножителями то­ чечного или сосредоточенного типа в отличие от распре­ деленных (или протяженных) умножителей, описанных в главе III.

Газовый разряд в пространстве взаимодействия плаз­ менного умножителя поддерживается обычно за счет энергии входного генератора. При помощи плазменного умножителя можно также производить умножение ча­ стоты сигналов и малой мощности. В случае небольшой высокочастотной мощности, недостаточной для поджига разряда, можно испрльзовать внешний источник, напрц-