Файл: Кацман, Ю. А. Электронные и квантовые приборы сверхвысоких частот учебное пособие.pdf

Пособие - предназначено для изучения курса «Электронные и квантовые приборы СВЧ» студентами радиотехнически^ специальностей.

В соответствии с учебной программой рассмотрены принципы работы и .основы теории современных прибо­ ров сверхвысоких частот и квантовой электроники и приведены их основные параметры.

При изложении материала учитывалось, что сту­ дентами предварительно прослушаны курсы общей фи­ зики, электронных приборов и технической электроди­ намики. Основное внимание уделено рассмотрению фи­ зических процессов в приборах.

Научный редактор профессор Ю. А. КАЦМАН

Гос. публичная

научну--! и4

библиотека ооО Н

ЭКЗЕМПЛЯР

ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА

4

© — Издание Северо-Западного заочного политехнического института, 1974 г.

П Р Е Д И С Л О В И Е

учебной программой ниже рассматриваются приборы сверх-, высоких частот и приборы квантовой электроники. В связи с выделением приборов СВЧ и квантовой электроники в от­ дельный курс авторы сочли целесообразным включить в него и приборы СВЧ с электростатическим управлением. Название' пособия соответствует утвержденной программе. Вместе с тем, поскольку указанный курс содержит квантовые приборы оптического диапазона, логичнее было бы его называть «Приборы СВЧ и квантовой электроники», а не «Электрон­

электронным потоком, а также полупроводниковые приборы

обходимые сведения по физическим основам квантовой электроники, описание квантовых приборов на атомно-мо­ лекулярных пучках, квантовых парамагнитных усилителей,

квантовых генераторов оптического диапазона и вопросы приема и модуляции лазерного излучения.

Ограниченный объем учебного пособия позволил провести лишь качественное рассмотрение работы приборов, не давая глубокой количественной оценки. Основное внимание уде­ лено описанию физических процессов в приборах.

При изложении материала учитывалось, что студентами предварительно прослушаны курсы общей физики, электрон­ ных приборов и технической электродинамики.

3

ЧАСТЬ П Е Р В А Я

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

К сверхвысокочастотному (СВЧ) диапазону условно отно­ сят частоты, которые лежат в интервале от 3 4 О7 до 3-1011 Гц и соответствуют длинам волн от 10 м до 1 мм.

Электронные приборы СВЧ диапазона широко использу­ ются в современной радиолокации, системах многоканальной связи, телевидении, вычислительной технике, промышленных установках и т. д. Основной задачей приборов является эф­ фективное преобразование энергии источников питания в энергию СВЧ электромагнитных полей.

Выделение приборов СВЧ диапазона в отдельный класс электронных приборов обусловлено не только переходом к волнам длиной от 1 мм до 10 м, но и рядом специфических особенностей, которые определяются тем, что длина волны А колебаний соизмерима с линейными размерами I передаю­ щих и приемных устройств. В этом случае, как правило, не­ применимо ни квазистационарное 'к'>1 (длинноволновое) приближение обычной радиотехники, ни оптическое прибли­

жение, справедливое при условии Х<1.

При рассмотрении задач электроники СВЧ диапазона не­ обходимо принимать во внимание соизмеримость времени взаимодействия электронов с переменными электромагнит­ ными полями х с периодом колебаний СВЧ полей Т. Для приборов СВЧ диапазона время взаимодействия может со­ ставлять не только значительную часть, но и даже десятки периодов колебаний рабочей частоты. Явления, в которых сказывается конечность времени пролета электронами рабо­ чего пространства прибора, определяют их инерционность. Обычные радиолампы, у которых время пролета электронов От катода до анода становится значительным по сравнению с периодом рабочей частоты, в СВЧ диапазоне не могут эф­ фективно работать.

5

Кроме инерционности электронов, следует учитывать, что в СВЧ диапазоне необходимо иметь малые значения междуэлектродных емкостей Сэл и индуктивностей вводов Lm, так как иначе нельзя получить резонансную частоту контуров, со­ ответствующую диапазону сверхвысоких частот. Действи­ тельно, при больших величинах LBB и Сэл прибора они обра­ зуют контуры, резонансные частоты которых меньше рабочей частоты. Кроме того, за счет скин-эффекта в СВЧ диапазоне растут активные потери, поэтому выгодно использовать кон­ туры с развитой поверхностью. Укажем также на то, что с ростом рабочей частоты обычные контуры начинают сильно излучать, что приводит к необходимости использовать замкну­ тые объемные системы.

Перечисленные особенности работы приборов СВЧ диапа­ зона определяют специфику их конструктивного выполнения. Обычно приборы имеют замкнутые объемные резонансные или широкополосные системы, с которыми электроды прибо­ ров составляют единое целое.

Электровакуумные приборы СВЧ диапазона подразделя­ ют на группы по способам управления электронным потоком (с электростатическим или динамическим управлением) и по взаимному расположению постоянных электрических и маг­ нитных полей (приборы О-типа или Af-типа). Кроме того, имеются газоразрядные и полупроводниковые приборы.

Раздел I

ВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ

Глава 1

Приборы с электростатическим управлением электронным потоком

§ 1.1. Диод. Под действием постоянной разности потен­ циалов через междуэлектродный промежуток диода протека­ ет постоянный ток, величина которого одна и та во всех поперечных сечениях электронного потока между катодом и анодом и равна току во внешней цепи.

При сравнительно низких частотах можно. считать, что картина физических процессов сохраняется, т. е. в каждый данный момент величина тока для любого поперечного сече­ ния электронного потока одна и та же и полностью опреде­ ляется мгновенным значением разности потенциалов. Такой режим можно называть с т а ц и о н а р н ы м .

При сверхвысоких частотах в каждый данный момент вре­ мени на разных расстояниях от катода будут находиться

6

электроны, вышедшие из прикатодной области при сущест­ венно разных величинах анодного потенциала, т. е. вдоль промежутка катод — анод будет различная величина элект­ ронного тока. Как видно из приведенных соображений, в этом случае существенное значение должно иметь отношение вре­ мени пролета электронов т к периоду колебаний анодного по­ тенциала Т, т. е. величина х/Т. Если это отношение, показы­ вающее, какую часть периода Т электроны летят между элек­ тродами диода, выразить в радианах, то получим величину,

По величине угла пролета можно судить, следует ли учи­ тывать инерцию электронов при рассмотрении процессов в данном приборе или нет. Практически стационарный режим определяется неравенством

-^-<0,05 или £<0,1я.

Для описания процессов в диоде на сверхвысоких часто­ тах необходимо использовать выражение для полного тока

где j — плотность полного тока;

je— плотность электронного тока; js — плотность тока смещения;

Н — напряженность магнитного поля.

Очевидно, что все особенности физических процессов вну­ три диода на сверхвысоких частотах в первую очередь описы­ ваются током' смещения

^ j. — (0 & т COS (Of.

тельной. Электронный же ток, как отмечалось выше, зависит от продольной координаты вдоль промежутка катод — анод. Но при этом следует иметь в виду, что полный ток постоянен в любом сечении: по определению j = rot Н и, следовательно, divj = 0, так как divrot тождественно равна нулю.

Приведенное разложение полного тока в диоде справед­ ливо для любого сечения электронного потока между электро­ дами диода. Однако для внешней цепи диода необходимо другое разложение полного тока. Здесь имеет значение не величина тока в том или ином сечении электронного потока, а среднее количество электричества, переносимое между электродами электронным потоком. При перемещении одного электрона между электродами он взаимодействует с электро­ нами, расположенными на аноде и, выталкивая их во внеш­ нюю цепь, создает в ней ток. Когда электрон достигнет ано­ да, указанное взаимодействие прекратится и ток во внешней цепи упадет до нуля. Таким образом, ток в анодной цепи на­ водится движущимся электроном, что и определяет понятие «наведенный ток». В реальных приборах в междуэлектродных промежутках двигается одновременно большое число электро­ нов, и величина наведенного тока определяется усредненным по м^ждуэлектродному промежутку электронным током. При стационарном токопрохождении, когда в любом сечении электронного потока между электродами величина электрон­ ного тока практически одинакова, наведенный ток совпадает с электронным.

Во внешней цепи протекает также емкостная составляю­ щая тока, потому что диод можно рассматривать как вакуум­ ный конденсатор.

Таким образом, во внешней цепи полный ток равен сумме наведенного тока, величина которого определяется полями движущихся электронов в промежутке катод—анод, и емкост­

8

С увеличением частоты подведенной к диоду переменной разности потенциалов растет величина емкостного тока, кото­ рый будет, протекать во внешней цепи даже при отсутствии эмиссии электронов с катода, т. е. при ie = 0. Следует учиты­ вать, что при прохождении электронного тока через диод ме­ няется за счет объемного электронного заряда диэлектриче­ ская постоянная междуэлектродного пространства и емкость катод — анод увеличивается в 4/3 раза по сравнению с «хо­ лодной» емкостью.

6

Катод

Рис. 1

Эквивалентная схема диода на сверхвысоких частотах (рис. 1) должна содержать, кроме активной проводимости g и емкости катод — анод С, еще и фиктивную индуктивность L, которая учитывает влияние запаздывания электронов в диоде при их движении к аноду, т. е. конечность времени пролета электронов в диоде. За счет этого явления электронный, а следовательно, и наведенный токи отстают по фазе от анод­ ного потенциала, что и учитывается введением индуктивности.

Векторная диаграмма диода приведена на рис. 2, где / — комплексная амплитуда полного тока во внешней цепи, а / а, / с и — соответствующие амплитуды активной, емкостной и индуктивной составляющих полного тока. На диаграмме

также показан вектор наведенного тока /„.

При больших величинах угла пролета £ возможно получе­ ние режимов, при которых электронный ток запаздывает по фазе по отношению к анодному потенциалу настолько, что анодный ток может оказаться в противофазе с анодным по­ тенциалом. Это позволяет использовать диод как генератор (активная составляющая проводимости диода становится от­ рицательной величиной).

9