ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.10.2024
Просмотров: 63
Скачиваний: 0
§ 7] ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ в у м н о ж и т е л : 193
составляющей напряжения на электродах плазменного варактора увеличивается свыше напряжения холостого хода, а уменьшение напряжения ниже U^ не влияет на время задержки. На рис. 94 изображены зависимости времени задержки появления излучения на основной ча
стоте на выходе варак- |
|
|||||
тора от напряжения |
U' |
Г ш > мисек |
||||
при |
различном |
време |
|
|||
ни выключения генера |
|
|||||
тора, указанном циф |
|
|||||
рами под кривыми. |
|
|
||||
Как |
указывалось |
|
||||
выше, |
изменение по |
|
||||
стоянного напряжения |
|
|||||
между электродами |
от |
|
||||
нуля до |
Us* не влияет |
|
||||
на |
постоянное |
напря |
Рис. 94. Зависимость времени задержки |
|||
жение между централь |
||||||
сигнала на основной частоте от посто |
||||||
ным электродом и плаз |
янной составляющей напряжения. |
|||||
мой U\ и мало влияет |
|
|||||
на |
ток электронов, |
попадающий на этот электрод. |
||||
Увеличение напряжения между центральным электро дом и плазмой ведет к уменьшению тока электронов на этот электрод, определяющего интенсивность процесса демаксвеллизации функции распределения электронов по скоростям. При этом величина £ увеличивается, стре мясь к бесконечности при /еь стремящемся к нулю. С увеличением £, увеличивается ггр и, когда оно стано вится больше г„р, для оценки времени установления справедлива формула (191), а не (190), откуда и сле дует уменьшение времени задержки сростом напряжения.
При больших отрицательных напряжениях ток элект ронов на центральный электрод близок к нулю, функция распределения электронов в плазме остается максвел ловской и, следовательно, время установления условий для прохождения излучения стремится к нулю, что и наб людается экспериментально.
Таким образом, находят объяснение результаты экс периментов с плазменными умножителями, работающи ми в импульсном режиме. При малой длительности им пульсов СВЧ-излучения функция распределения элект ронов остается максвелловской, что сопровождается
13 А. А. Брандт, Ю. В. Тихомиров
194 |
АНАЛИЗ РАПОТЫ ПЛАЗМЕННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ |
[ГЛ. Ill |
большими потерями излучения и слабой'нелинейностью варактора.
Улучшения переходных характеристик плазменного умножителя можно добиться понижением давления га за, уменьшением его температуры и уменьшением раз рядного объема, т. е. ускорением процесса демаксвеллизации функции распределения электронов по скоростям во всем разрядном объеме.
§ 8. Конструктивные особенности плазменных умножителей
В связи с отмеченными выше особенностями работы умножителя на нелинейной емкости плазменного варак тора при конструировании умножителя частоты следует учитывать дополнительные требования. Прежде всего это относится к выбору элементов СВЧ-тракта, в кото рый включается плазменный варактор. Как уже отмеча лось, максимальная относительная мощность второй гармоники в выходном излучении плазменного варакто ра составляет не более 25%, как это видно из рис. 88. При этом оставшаяся часть мощности приходится в ос новном иа излучение на основной частоте.
Поэтому для увеличения эффективности преобразо вания (до 40—50%) и для предотвращения проникнове ния излучения основной частоты на выход умножителя непосредственно за плазменным варактором устанавли вается режекторный фильтр, отражающий излучение ос новной частоты и беспрепятственно пропускающий из лучение частоты гармоники. Для коаксиального умно жителя на вторую гармонику удобно применять разомк нутый на конце отрезок коаксиальной линии с длиной, равной четверти длины волны излучения на основной частоте. Такой отрезок не вносит искажений в распрост ранение гармоники, так как его длина равна половине длины волны гармоники.
Перед входом варактора необходимо установить пе рестраиваемый трансформатор нмпедансов для согласо вания волнового сопротивления варактора, которое мо жет оказаться достаточно малым, с волновым сопротив лением СВЧ-тракта. Подстройка трансформатора необ ходима, если в процессе работы изменяется входная
§ 81 КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ У.МНОЖМТЕЛЕП 195
мощность излучения на основной частоте или меняются параметры плазмы в разрядной камере варактора (рис. 5,
трансформатор 8).
Между трансформатором нмпедансов и режекторпым фильтром (14 па рис. 5), отражающим излучение основ ной частоты, устанавливается режим стоячей волны, т. е. трансформатор нмпедансов п режекториый фильтр обра зуют резонатор, в котором п размещается плазменный варактор. Естественно, что центр варактора должен сов падать с пучностью электрического поля резонатора,так как при этом условии переменное напряжение между электродами варактора будет достигать максимальной величины. Добротность этого резонатора достаточно низка, так как многократное прохождение излучения через плазменный варактор сопровождается значитель ными потерями мощности.
Для предотвращения попадания излучения гармони ки в генератор основной частоты перед варактором устанавливается режекториый фильтр, отражающий из лучение на частоте гармоники (9 на рис. 5) и не препят ствующий прохождению излучения основной частоты. Подобно режекторному фильтру основной частоты (14 на рис. 5), в коаксиальном тракте в качестве режекторного фильтра второй гармоники удобно использовать корот козамкнутый отрезок коаксиальной линии с длиной,рав ной половине длины волны гармоники. Такой четверть волновый отрезок не создаст препятствий для распрост ранения волны основной частоты.
Поскольку короткозамкнутый коаксиальный фильтр осуществляет короткое замыкание по постоянному току электродов коаксиального тракта, необходимо прини мать специальные меры, позволяющие управлять по стоянной составляющей напряжения между электрода ми плазменного варактора. В наших экспериментальных установках для этих целей применялись специальные дисковые размыкатели, препятствующие образованию омического контакта во внешнем электроде коаксиаль ной линии. Эти размыкатели устанавливались перед входом и на выходе плазменного варактора, а их ем кость подбиралась такой, чтобы емкостное сопротивле ние было намного меньше волнового сопротивления ва рактора.
13*
196 АНАЛИЗ РАБОТЫ ПЛАЗМЕННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. III
Для изменения постоянной составляющей напряже ния между электродами применялась дополнительная цепь с переменным сопротивлением и небольшим источ ником постоянного напряжения.
При генерации плазмы СВЧ-излучением основной частоты необходимо максимально развязывать цепи, участвующие в создании плазмы и в генерации гармо ники, поскольку для создания плазмы с максимальной концентрацией требуется обеспечить условия макси мальности поглощенной в варакторе мощности, а для эффективной генерации гармоники поглощенная мощ ность должна быть минимальной. Наиболее целесооб разно при осутствии достаточно мощных генераторов (на пример, при создании умножителей миллиметрового диапазона) применять способы, основанные на создании плазмы с помощью постороннего источника. В этом слу чае обеспечивается полная развязка цепей, участвую щих в генерации гармоники и в создании и поддержа нии плазмы нужной концентрации.
Одним из таких источников плазмы может служить разряд на постоянном токе в парах ртути или щелочных металлов, однако при этом трудно обеспечить независи мое изменение постоянной составляющей напряжения
между электродами плазменного варактора. |
Кроме то |
|||
го, |
при таком разряде происходит |
разрушение одного |
||
из |
электродов — особенно центрального, если |
создается |
||
плазма высокой плотности. |
высокочастотного |
из |
||
|
Максимальное взаимодействие |
|||
лучения с плазмой происходит в том случае, |
когда |
ча |
||
стота столкновений электронов плазмы близка к часто те высокочастотного поля. Поскольку всегда можно выб рать высокочастотный источник плазмы, у которого частота много меньше частоты умножаемого сигнала, то легко обеспечиваются условия для эффективной генера ции гармоники в плазменном умножителе.
Остальные элементы плазменного умножителя ука заны на рис. 5 и конструируются исходя из требований, предъявляемых к параметрам плазменного умножите ля, его диапазона, входной мощности и других особен ностей.
Как уже отмечалось выше, наиболее удобной конст рукцией плазменного варактора является коаксиальная.
§ 8] КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ УМНОЖИТЕЛЕЙ 197
Однако при коструировании умножителей в коротковол новом диапазоне возможно использование волноводных или полосковых линий, разработка плазменных варак торов на которых не представляет непреодолимых труд ностей.
Остановимся теперь вкратце на конструктивных осо бенностях плазменных варакторов коаксиального типа. Выше был проведен расчет, подтвержденный экспери ментально, из которого следует, что оптимальная длина плазменного варактора должна быть равна половине длины волны излучения гармоники в свободном прост ранстве. Однако, как видно из рис. 88, не очень большой
проигрыш получается и при длине |
варактора, близкой |
к четверти длины волны гармоники. |
Этот проигрыш мо |
жет даже компенсироваться уменьшением мощности, поглощенной варактором меньшей длины.
Диаметр центрального электрода необходимо по воз можности делать маленьким — для уменьшения волно вого сопротивления обедненного слоя. Однако чрезмер ное уменьшение диаметра центрального электрода мо жет привести к росту потерь мощности или к разруше нию электрода под действием ионной бомбардировки. Кроме того, крепление и центровка тонкого централь ного электрода вызывает дополнительные конструктив ные трудности. Поэтому при больших входных мощно стях (более 100 вт) нет смысла применять центральные электроды диаметром менее 0,5 мм. В наших установках эффективность преобразования практически не изменя лась при использовании электродов с диаметром, мень шим 1 мм.
Ограничение на диаметр внешнего электрода накла дывает в основном длительность процессов установле ния стационарных характеристик, рассмотренных в § 7 настоящей главы. Если же система работает в непре рывном режиме, то ограничение на диаметр внешнего электрода накладывает необходимость уменьшения объе ма плазмы в разрядной камере. Минимальный диаметр внешнего электрода ограничивается при этом условиями возникновения и поддержания СВЧ-разряда, или — если плазма создается дополнительным источником — усло вием малости максимальной толщины обедненного слоя по сравнению с радиусом внешнего электрода. Послед
198 АНАЛИЗ РАБОТЫ ПЛАЗМЕННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. III
нее требование равносильно условию отсутствия влияния
внешнего электрода на процессы, происходящие |
вблизи |
|||
центрального электрода. Кроме |
того, |
диаметр внешнего |
||
электрода должен по крайней мере на порядок |
превос |
|||
ходить диаметр центрального, |
как |
это |
было |
показа |
но в §2 настоящей главы. |
|
|
данной |
главы. |
Влияние рода газа обсуждалось в §5 |
||||
Было установлено, что легким газам соответствует наи
большая |
поглощенная мощность. Поэтому для |
запол |
|
нения разрядной |
камеры следует выбирать |
самый |
|
тяжелый |
инертный |
газ — ксенон. Вследствие |
низкого |
потенциала ионизации в ксеноне устанавливается более высокая концентрация с наименьшей температурой элект ронов, в связи с чем и характеристики плазменного ва рактора на ксеноне оказываются иаилучшнми.
Инертные газы в разрядной камере следует приме нять также в связи с тем, что они не вступают в химиче ские реакции с материалом стенок и поэтому значитель но дольше сохраняются в разрядном объеме. В некото рых случаях целесообразно применять пары металлов, обладающие значительно более низким потенциалом ионизации.
Выбор давления газа существенно зависит от режи ма работы плазменного варактора. Если используется посторонний источник создания и поддержания плазмы, то давление газа необходимо выбирать как можно бо лее низким — для уменьшения потерь, связанных со столкновениями электронов. При использовании СВЧ-раз- ряда от генератора основной частоты должны обеспечи ваться условия, необходимые для получения плазмы нужной концентрации. В этом случае при небольшой мощности генератора основной частоты давление газа должно быть таково, чтобы частота столкновений элект ронов была близка к частоте генератора. При этом при ходиться мириться со значительными потерями излуче ния основной частоты и более низкой эффективностью преобразования.
Отсутствие мощных генераторов предъявляет особые требования к конструированию плазменных умножите лей миллиметрового диапазона.
Перечислим некоторые основные особенности умно жителей миллиметрового диапазона, вытекающие глав-
§ 81 |
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ УМНОЖИТЕЛЕЙ |
199 |
иым образом из необходимости создания плазмы высо кой концентрации:
1.Применение вместо протяженных конструкции (на пример, коаксиальных) точечных, обеспечивающих наи большую концентрацию СВЧ-поля в малом объеме.
2.Использование малых разрядных камер, ограни чивающих объем создаваемой плазмы.
3.Увеличение давления газа с целью увеличения ча стоты столкновений электронов и предотвращения ра
стекания плазмы.
4. Работа в режиме больших отраженных от плаз менного варактора мощностей-—для выполнения усло вий существования стабильного СВЧ-разряда.
При невозможности создания этими методами плаз мы с достаточной концентрацией следует применять до полнительные источники, создающие плазму.
В заключение несколько слов о выборе материалов для плазменного варактора. Поскольку центральный электрод в коаксиальном плазменном варакторе под вергается интенсивной ионной бомбардировке, для его изготовления следует использовать тугоплавкий и мало испаряющийся в вакууме материал. Наиболее подходя щим для этого является вольфрам. Условия работы внешнего электрода более легкие, поэтому его можно выполнять, например, из молибдена или другого, приме няющегося в вакуумной технике металла. Возможно ис пользование тонких покрытий из стекла для защиты по верхностей электродов. Однако применение диэлектри ческих покрытий создает дополнительные трудности.