Приборы и устройства вакуумной электроники

Создание электронных ламп позволило создать системы радио­связи, радиовещания. Разработка и производство электронно-луче­вых приборов способствовали возникновению и развитию телеви­дения. В 20—50-е гг. прошлого века сформировалась как самостоя­тельная отрасль вакуумная электроника и промышленность. В се­редине прошлого века на основе приборов вакуумной электроники было создано первое поколение вычислительных машин.

Качественно новый этап развития вакуумной электроники на­ступил при освоении области частот выше 500 МГц. С увеличени­ем частоты и уменьшением длины волны излучения увеличивает­ся возможность концентрации электромагнитного излучения в уз­кий луч. Использование остронаправленных лучей радиодиапазо­на обеспечивает снижение взаимных помех одновременно рабо­тающих радиолокаторов, увеличивает дальность действия радио­систем, позволяет достичь высокой точности определения коор­динат объектов. Были разработаны принципы динамического управления электронным потоком. Появились приборы новых классов — клистроны, магнетроны, лампы бегущей волны (ЛБВ) и другие, основанные на взаимодействии электронов с электро­магнитными полями. Электромагнитные волны СВЧ-диапазона обладают большой информативной емкостью. В системах радио­связи это позволяет увеличить число каналов телефонной и теле­графной связи. В космической связи особенно важен механизм прохождения электромагнитного излучения через ионизирован­ные слои атмосферы. Наиболее проницаемы эти слои атмосферы для излучения СВЧ-диапазона. Все это позволило сформировать СВЧ-электронику как самостоятельное направление в вакуумной электронике.

В зависимости от принципа действия, назначения приборы и устройства вакуумной электроники делятся на электронные лампы, СВЧ-приборы, электронно-лучевые приборы, фотоэлектронные и рентгеновские приборы.

Классификация приборов вакуумной электроники приведена на рис. 2.1.

2.1. Электронные лампы

Электронные лампы — это электровакуумные приборы с термо­электронным катодом и электростатическим управлением элек­тронным потоком, служащие для детектирования, генерации и преобразования электрических сигналов. Для управления элек­тронным потоком используют различное число электродов. Элек­троды, проницаемые для электронного потока, называют сетками. По числу электродов различают диоды, триоды, тетроды, пентоды и т.д.

Электронные лампы, предназначенные для детектирования (выпрямления), преобразования частоты и усиления электрических сигналов, преимущественно на частотах до 300 МГц, а также для генерирования электрических колебаний малой мощности в раз­личных приемных, усилительных и измерительных радиотехниче­ских устройствах принято называть приемно-усилительными лампа­ми (ПУЛ).

Исторически первой ПУЛ явился электровакуумный диод, изо­бретенный английским ученым Дж.А. Флемингом в 1905 г. В 1907 г. американский инженер Ли де Форест создал триод, в котором с помощью управляющей сетки впервые было осуществлено элек­тростатическое управление свободными электронами. Вслед за триодом были сконструированы тетрод и лучевой тетрод, пентод. Затем появились многофункциональные ПУЛ (гексоды, гептоды, октоды, пентагриды), а также комбинированные лампы (двойные триоды, диод — пентоды, триод — гептоды и т. п.).

Конструктивно ПУЛ представляет собой баллон, в котором по­мещена система электродов, присоединенная контактной сваркой к вакуумно-плотным выводам прибора. Герметизация лампы дос­тигается либо электросваркой для ПУЛ в металлическом баллоне, либо заваркой газоплазменными горелками для стеклянных балло­нов. Современные ПУЛ позволяют выполнять линейные и нели­нейные преобразования электрических колебаний с частотами по­рядка 10^1оГц.

Диод — двухэлектродный вакуумный прибор, имеющий анод и катод. Диод проводит ток в одном направлении — от катода к ано­ду и используется для преобразования переменного тока в посто­янный (кенотрон).

Эмиттированные катодом электроны создают пространствен­ный заряд между катодом и анодом. При положительном потен­циале на аноде отрицательный потенциальный барьер объемного заряда преодолевают более быстрые электроны, которые создают 42

анодный ток во внешней цепи (рис. 2.2, б, кривая 1). Анодный ток определяется анодным напряжением U_&, а также током эмиссии ка­тода. С ростом анодного напряжения появляются энергичные электроны, которые преодолевают отрицательный потенциал элек­тронного заряда (кривая 2). В этом случае анодный ток меньше тока эмиссии. В режиме пространственного заряда рост анодного тока подчиняется закону трех вторых: /_а = kU_&^yi.

При дальнейшем увеличении анодного напряжения во всех точ­ках межэлектродного пространства потенциал становится положи­тельным относительно катода и все эмиттированные катодом элек­троны достигают анода (рис. 2.2, кривая 3). Наступает режим насы­щения при различных £/_а и U_Hac. На рис. 2.2, в приведено семейство анодных характеристик диода.

Основными параметрами диода являются: крутизна S= dlJdU^ внутреннее сопротивление Д = 1/S. Односторонняя проводимость диода позволяет применять его для выпрямления переменного тока, детектирования электромагнитных колебаний, преобразова­ния частот.

Триод — электровакуумный прибор, трехэлектродная вакуумная лампа с управляющей сеткой между анодом и катодом (рис. 2.3). Изменяя потенциал сетки U_c, можно управлять значением анодного тока /_а или, что одно и тоже, количеством электронов, проходящих через сетку от катода к аноду. Наличие сетки позволяет применять триоды для усиления и генерации электромагнитных колебаний. Различают анодно-сеточные характеристики /_а =Д£4) при постоян­ном анодном напряжении, сеточные /_с = ЛЮ (рис. 2.3, б) и анод­ные характеристики /_а = ЛЮ ^ПР^И постоянном сеточном напряже­нии (рис. 2.3, в). Эти характеристики называют статическими.

Рис. 2.2. Диод:

д —условное обозначение; 6—распределение потенциала в промежутке катод — анол-

в — анодная характеристика

Если в анодную цепь включить нагрузку, то при изменении тока одновременно будет меняться напряжение. Такой режим и па­раметры соответствует динамическому нагрузочному режиму.

Анодно-сеточные /_а = Д Щ при U_a — const и сеточные входные /_с ~AUc) при и_л = const вольт-амперные характеристики представ­лены на рис 2.3, б. Анодные выходные характеристики /_а =/£4) при U_c = const для разных значений напряжения на сетке представ­лены на рис. 2.3, в.

Триоды в основном используют для преобразования информа­ции, в частности, для усиления и генерации электрических колеба­ний. К недостаткам триодов следует отнести относительно малый коэффициент усиления и большую проходную емкость С_са, которая формирует обратную связь между выходом и входом цепи лампы,- При определенных условиях наступает самовозбуждение и ухудше­ние характеристик. От этих недостатков в значительной мере сво­бодны такие приборы, как тетроды и пентоды, имеющие дополни­тельные сетки для управления параметрами электронного потока.

Тетрод — электровакуумный прибор, четырехэлектродная лампа со второй экранной сеткой С₂, позволяющей снизить проходную емкость. При работе тетрода в усилительной цепи на экранную сетку подается постоянное положительное напряжение относитель­но катода и_Сэ ~ 0,5 £/_а- Электроны, проходящие экранную сетку, частично ею перехватываются, формируя ток 1_Съ При этом на два порядка может уменьшаться проходная емкость лампы и возрастать статический коэффициент усиления (рис. 2.4, б).

При малых напряжениях на сетке Q заметен падающий участок характеристики, связанный с выбиванием вторичных электронов с анода — динатронным эффектом. Падающий участок уменьшает область изменения С/_а, и схема самовозбуждается. Для снятия дина-

 

а б

Рис. 2.4. Тетрод:

а — условное обозначение, б — анодная характеристика при разных напряжениях на сетке С,

тронного эффекта вводится еще одна сетка — антидинатронная С₃. Она располагается между экранирующей сеткой и анодом и нахо­дится под потенциалом катода либо небольшим положительным потенциалом.

Если создать электронный поток в форме ленточного, слегка расходящегося пучка, то благодаря увеличению плотности про­странственного заряда вблизи анода создается небольшой потен­циальный барьер. Именно он отражает эмиттируемые анодом вто­ричные электроны, что позволяет не вводить в конструкцию тре­тью антидинатронную сетку. Такая конструкция тетрода получила название лучевой тетрод. В выходных каскадах радиопередающих устройств широко применяются лучевые тетроды для генерирова­ния ВЧ-колебаний (1 ГГц).

К тетродам относится нувистор — миниатюрная металлокера­мическая приемно-усилительная лампа с цилиндрической кон- сольно закрепленной системой электродов. Такая конструкция обеспечивает повышенную вибропрочность и термоустойчивость.

Пентод — пятиэлектродная лампа (рис. 2.5). Благодаря защит­ной сетке Сз в пространстве между анодом и экранирующей сеткой создается поле, препятствующее попаданию вторичных электронов на сетку С₂ (рис. 2.5, а). Это позволяет препятствовать проникно­вению электронов от анода к экранной сетке. Провал на анодной характеристике, характерный для тетродов, у пентода ликвидирует­ся (рис. 2.5, б).

Пентоды делятся на приемоусилительные и генераторные, кото­рые имеют положительное напряжение на сетке С3. В пентодах с двойным управлением сетка С₃ является второй управляющей сет­кой, на которую подается отрицательный потенциал. В этом случае между сетками С₂ и С₃ образуется объемный заряд и формируется

виртуальный катод. В этой области потенциал равен нулю, элек­троны тормозятся, создавая подобие катода. К недостаткам пенто­дов следует отнести большую емкость между третьей сеткой и ано­дом. Это ограничивает верхний предел частотного диапазона уси­ливаемых электромагнитных колебаний.

Чтобы ликвидировать этот недостаток, вводят еще одну сетку. Такая конструкция получила название гексод.

Гексод — электровакуумный прибор, электронная лампа с ше­стью электродами выполняет роль смесителя частот. Напряжение сигнала обычно подводится к первой управляющей сетке. Пере­менное напряжение на второй управляющей сетке изменяет токо- распределение в лампе. При этом крутизна характеристики анод­ного тока на первой сетке изменяется с частотой гетеродина, на­пряжение на ней меняется с частотой приходящего сигнала.

В результате анодный ток представляет собой комбинационные ко­лебания, в частности, колебания промежуточной частоты f_np0M = =/г-/с, где /_г — частота гетеродина; f_c — частота сигнала. Гексоды применяют также для усиления сигналов высокой частоты. В ра­диотехнических схемах обычно применяют комбинированные лам­пы типа триод — гексод.

Гептод — семиэлектродная электронная лампа, служит для пре­образователем частоты, а также как смесительная лампа. В цепь первой управляющей сетки включается контур гетеродина, в цепь второй сетки — катушка обратной связи, третья и пятая сетки слу­жат для экранирования, потому как в гексоде одной экранирующей сетки недостаточно. Четвертая сетка служит также для управления потоком, на нее подается напряжение сигнала.

Иногда гептод рассматривают как триод плюс тетрод. Лампу с двумя управляющими, двумя экранирующими и сеткой без витков называют петагрид (от лат. pente — пять, grid — сетка).

Октод — восьмиэлектродная электронная лампа имеет шесть

сеток и предназначена для работы в частотнопреобразовательных устройствах радиоприемных устройств. По существу это усовер­шенствованный гептод. Шестая сетка является антидинатронной, что позволяет увеличить амплитуду выходных сигналов. Октоды особого распространения не получили.

Были созданы электронные лампы с девятью и с десятью элек­тродами (декоды). Однако практического применения они не на­шли. Наибольшее распространение получили двойные диоды — триоды, двойные триоды, триоды — пентоды.

Заметим, что с позиций системного анализа все рассмотренные конструкции соответствуют предложенной модели приборов ваку­умной электроники. ^ ^J

ке С,

Конструкции ламп. Электронные лампы, предназначенные для преобразования энергии источника постоянного или переменного тока в энергию высокой частоты до 10 ГГц, называют генератор­ными лампами. Существуют различные конструкции генераторных ламп. В миниатюрных и сверхминиатюрных лампах определяющим параметром являются размеры. Одной из таких ламп является стержневая лампа. Особенность ее конструкции — наличие катода прямого накала, а также конструкция сеток в виде металлических стержней, расположенных параллельно катоду.

Приемно-усилительные лампы (ПУЛ) — электронные лампы, предназначенные для детектирования, преобразования частоты и усиления электрических сигналов на частотах до 300 МГц, а также для генерирования электрических колебаний.

Применяют ПУЛ в качестве управляющих элементов генерато­ра или усилителя в радиопередатчиках для радиовещания, телеви­дения, радиолокации, в ускорителях заряженных частиц, медицин­ской электронике. Различают маломощные (до 25 Вт), средней

 

 

 

мощности (до 1 кВт), мощные (до 200 кВт) и сверхмощные (более 200 кВт) лампы. Они могут работать в КВ- (до 30 МГц), УКВ- (до 300 МГц) или СВЧ- (до 10 ГГц) диапазонах длин волн.

Особый интерес представляют мощные генераторные и модуля­торные лампы. Конструкции мощных электронных приборов пре­дусматривают меры отвода энергии от анода. В зависимости от способа отбора избыточной тепловой энергии от анода различают лучистый, воздушный, водяной и испарительный теплоотводы.

С целью увеличения теплоотвода поверхность анода увеличивают с помощью ребристого радиатора, и лампу помещают в герметизи­рованный объем, через который принудительно прогоняют с помо­щью вентилятора очищенный от пыли, грязи и паров масла воздух.

В лампах с водяным и испарительным охлаждением анод с ча­стью баллона помещают в закрытый герметичный сосуд, через ко­торый под давлением в (2...3) • 10⁵ Па пропускаются потоки воды.

В лампах с испарительным охлаждением анод охлаждается за счет отбора теплоты парообразования.

Мощные лампы делают разборными для возможности ремонта и замены отдельных деталей. Эти приборы при эксплуатации требуют специального обслуживания. На рис. 2.6 приведены различные типы металлокерамических ламп, изготовленных на заводе «Светлана».

В лампах, предназначенных для работы в усилителях напряжения и мощности импульсных сигналов и сиг­налов высокой и сверхвысокой частоты, предусмотрены специальные меры для уменьшения паразитных индуктивно­стей сеточных и катодных выводов, меж- электродных емкостей. Например, дела­ют дисковые выводы, обладающие ма­лой индуктивностью и обеспечивающие включение триода в ВЧ- и СВЧ-тракты.

Между анодом и сеткой иногда распола­гают экраны, которые улучшают экра­нирование анода и потому уменьшают емкость сетка—анод (рис. 2.7).

2.2. СВЧ-приборы

электронные лампы СВЧ. В области частот более 100 МГц на работу электронных ламп существенно влияют инерция электро­нов, межэлекгродные емкости и индуктивности вводов-выводов. Для уменьшения инерции делают плоские электроды с межэлек- тродным расстоянием 0,1...0,3 мм, выводы электродов в виде тол­стых проводников, выводы сетки и катода — кольцеобразные кон­такты, прижимаемые к контактам резонансных коаксиальных уст­ройств, вывод анода — штырь большого диаметра (рис. 2.8).

d

Для плоского диодного промежутка а время пролета т = - =

v

Важный фактор — угол пролета 0, равный изменению фазы вы­сокочастотного напряжения на электродах за время т пролета элек­тронами межэлектродного расстояния d. Уравнение для определе­ния угла пролета имеет вид 0 = 18/rf/_>/Z/o, где/— частота, МГц; d, см;

{/о — напряжение на аноде, В.

На низких частотах диод представляет собой активное сопро­тивление R_h а на высоких — комплексное сопротивление. Конст­рукции электронных ламп СВЧ максимально должна соответство­вать требованиям минимального времени пролета электронов и минимальных межэлектродных емкостей и индуктивностей вывода. Различают генераторные и модуляторные лампы.

Лампы СВЧ-диапазона — это триоды, лучевые тетроды, пентоды. Для генера­ции метровых волн (более 6 м) служат пентоды и лучевые тетроды. В импульс­ном режиме для радиолокации использу­ют импульсные генераторные лампы. Модуляторные триоды применяют для модуляции в радиотелефонных передат­чиках, трансляционных усилителях.

Клистроны [от греч. klyzi — ударять, окатывать (волной) и...трон] — электро­вакуумные СВЧ-приборы, работа кото­рых основана на модуляции по скорости Рис. 2.8. Металлокерамиче- ЭЛектрОННОГО ПОТОКа электрическими ский триод СВЧ-полями резонансных колебатель-

 

ных систем. Электроны группируют в сгустки, а затем кинетиче­скую энергию сгруппированных электронов преобразуют в энер­гию СВЧ-колебаний. Клистроны предназначены для генерации и усиления электромагнитных колебаний.

По способу преобразования энергии источника питания в энер­гию СВЧ-колебаний клистроны относятся к приборам О-типа или приборам с динамическим управлением электронным потоком. В таких приборах используется механизм скоростной модуляции. Принцип группирования электронов в сгустки лежит в основе фи­зики клистронов. На рис. 1.16, б приведена схема группирования электронов в пространстве резонатора. Электроны, для которых выполняется соотношение Usin со? > 0, получают дополнительное ускорение, а электроны с СЛsin со/ < 0 замедляются. Электроны

1, 2, 3 возвращаются в резонатор в один момент времени и образу­ют сгусток электронов (см. рис. 1.15, б).

Следует особо отметить тот факт, что в приборах этого типа но­сителями информационного сигнала являются так называемые ди­намические неоднородности. В данном случае это сгустки электро­нов. Формирование сгустков электронов ухудшают как кулонов- ские силы, так и конечное время пролета электронов между сетка­ми резонатора.

На рис. 2.9 представлена конструкция клистрона. Пучок электронов, формируе­мый электронной пушкой 1, ускоряется полем электрода 2 и пронизывает узкий зазор А между стенками входного торои­дального резонатора (группирователь элек­тронов) 4 и движется в трубке дрейфа 6.

В трубке дрейфа электрические поля от­сутствуют, и в ней происходит преобразо­вание скоростной модуляции потока в мо­дуляцию по плотности. Далее поток из сгустков электронов попадает в выходной резонатор 5.

Второй резонатор служит для отбора высокочастотной энергии из потока элек­тронов. Частота поступлений сгустков электронов во второй резонатор рзвнз частоте входного сигнала. Ток наводится на внутренней поверхности стенок второ­го (выходного) резонатора. Появляющееся между сетками резонатора электрическое

поле тормозит электроны. Кинетическая энергия электронов, по­лученная от источника, ускоряющего напряжения, преобразуется в энергию СВЧ-колебаний. Электроны, прошедшие второй зазор, попадают на коллектор и рассеиваются на нем в виде тепла.

Особенностями клистрона по сравнению с СВЧ-лампами явля­ются:

отсутствие электростатического управления электронным пото­ком;

использование динамического управления, основанного на ско­ростной модуляции и группировке электронов;

использование принципа наведения тока в выходном зазоре В и разделение функций выходного зазора и коллектора электронов;

применение полых резонаторов, отвечающих требованиям СВЧ-диапазона;

выделение катода из состава высокочастотной цепи и располо­жение ускоряющего промежутка перед высокочастотным управ­ляющим зазором.

Клистрон (усилитель) может быть преобразован в автогенератор при введении положительной обратной связи между выходным и входным резонаторами.

Повышение коэффициента усиления клистрона возможно за счет каскадного соединения или создания многорезонаторных кон­струкций с периодической электростатической фокусировкой электронного пучка. Клистрон отражательного типа имеет один полевой резонатор, который дважды пронизывается электронным

потоком. Резонатор играет роль группиро- вателя электронов при первом прохожде­нии электронов через зазор и роль выход­ного контура при повторном прохождении зазора.

Для того чтобы клистрон мог генери­ровать СВЧ-колебания, сгустки электро­нов должны проходить через зазор при обратном движении в те моменты, когда в нем имеется тормозящее высокочастот­ное электрическое поле. С этой целью Р^е' гулируется одновременно напряжение на ускоряющем электроде и напряжение на отражателе (рис. 2.10). Возврат электро­нов в зазор резонатора А обеспечивается с помощью отражателя, находящегося под отрицательным потенциалом по отноше

нию к катоду. При использовании отражательного клистрона в качестве усилителя ток в пучке делают меньше пускового и моду­лированный по скорости пучок электронов в отраженном потоке превращается в модулированный пучок по плотности. При этом в резонаторе возбуждается усиленный сигнал.

Основным назначением отражательных клистронов является ге­нерирование СВЧ-колебаний малой мощности. Их преимущество в простоте конструкции, простоте настройки и в хороших модуляци­онных характеристиках. Важное достоинство заключается в высо­кой механической прочности и надежности.

Различают отражательные клистроны с внешними и внутренни­ми резонаторами. Широкое распространение получили клистроны с интегральной перестройкой частоты, создание которых стало воз­можным благодаря разработанной технологии изготовления сколь­зящих электрических контактов в вакууме. Диапазон перестройки составляет 10... 15 % и КПД свыше 40 %.

Многолучевые усилительные клистроны (MJIK), разработанные в 1960-х гг. имеют в 2—3 раза меньшее питающее напряжение, по­ниженную в 3—4 раза массу прибора, увеличенную в 2—5 раз поло­су рабочих частот по сравнению с однолучевыми приборами. Мощ­ные многолучевые клистроны имеют от 6 до 36 лучей и работают на высших типах колебаний.

Многолучевые усилительные клистроны широко внедрены в современные системы радиоэлектронной аппаратуры. Они являют­ся основой передатчиков современных перспективных бортовых, морских и наземных комплексов. Разработана обширная номенк­латура отечественных клистронов (рис. 2.11).

Лампы бегущей волны — электровакуумные приборы с длитель­ным синхронным взаимодействием электронного потока с замед­ленной электромагнитной волной. Электромагнитное поле замед­ляющей системы представляет собой сумму бесконечного множест­ва пространственных гармоник. Если фазовая скорость совпадает с направлением групповой скорости электромагнитной волны, то та­кие гармоники прямые. Если фазовая скорость противоположна групповой, то речь идет об обратных гармониках.

Для длительного взаимодействия электронов с электромагнит­ным полем необходимо выполнение условия фазового синхрониз­ма, при котором скорость электронов в потоке Vrp совпадает с фа­зовой СКОРОСТЬЮ ВОЛНЫ Уф.

Длительное взаимодействие электронов с бегущей электромагнит­ной волной, распространяющейся в нерезонансной колебательной системе, лежит в основе работы усилительных и генераторных ЛБВ.

При этом происходит группировка ускоренных электронов и отдача энергии замедленных электронов полю сверхвысокой частоты.

Различают лампы прямой волны, или ЛБВ, и лампы обратной вол­ны (ЛОВ).

В ЛБВ направление движения электронов совпадает с направле­нием движения энергии по замедляющей системе. В этих приборах электронный поток взаимодействует с прямой замедленной волной или с положительной пространственной гармоникой (рис. 2.12).

Приборы, в которых используется взаимодействие электронно­го потока с обратными волнами или отрицательными пространст­венными гармониками, получили название ЛОВ. В лампах обрат­ной волны электронный поток движется навстречу потоку энергии. На рис. 2.12, в представлена ЛБВ О-типа в коаксиальной арматуре- Эмиттируемые катодом электроны ускоряются напряжением Uo, которое обеспечивает требуемое условие синхронизма между элек­тронами и волной, замедленной до скорости v = 0,1 с, где с — ско­рость света. Движение энергии по замедляющей системе происхо­дит в направлении движения электронов. Фокусировку электрон­ного потока осуществляют с помощью постоянного магнитного поля, созданного соленоидом. Электронные сгустки формируются 54

по мере движения вдоль оси лампы и наводят в спирали ток, а так­же создают тормозящее высокочастотное поле. Именно это тормо­зящее поле обеспечивает отбор энергии от электронного потока и усиление входного сигнала.

Главным достоинством ЛБВ является широкая полоса усили­ваемых частот. Наряду с усилительными ЛБВ разработаны преоб­разовательные ЛБВ. В лампах этого типа электронный поток сна­чала модулируется по скорости сигналом частоты Q и поступает в пространство взаимодействия замедляющей системы. Через вводное устройство подаются колебания СВЧ-диапазона частотой со * 10Q. Взаимодействие промодулированного двумя частотами электрон­ного потока с полем бегущей волны приводит к образованию слож­ной периодической структуры сгустков электронов. Они возбужда­ют в замедляющей системе колебания с частотами со и со ± mQ, где m — целое число. Обычно параметры замедляющей системы опти­мизируют для работы на частоте со + Q. В зависимости от режима работы ЛБВ разделяют на импульсные, непрерывные и квазине- прерывного действия. По уровню выходной мощности различают ЛБВ малой (1...Ю Вт), средней (10...100 Вт) и большой мощности.

Первые ЛБВ создавались для радиолокации, радиоразведки и радиопротиводействия. В последние годы многолучевые ЛБВ ис­пользуют для систем связи, в том числе космической связи. Созда-

но новое направление — многолучевые ЛБВ, позволяющие реали­зовать многорежимность передающих систем по выходной мощно­сти. Разработаны цепочки ЛБВ, которые обеспечивают регулиров­ку мощности от сотен ватт до десятков киловатт, высокий КПД, широкую полосу. Созданы импульсные ЛБВ миллиметрового диа­пазона с выходной мощностью 20 Вт в диапазоне 3 мм и 2 кВт в диапазоне 8 мм.

Лампы обратной волны иногда еще называют карсинотронами. В основе их работы лежит физическое явление длительного взаи­модействия электронного потока и обратной волны электромаг­нитного поля. Схема ЛОВ представлена на рис. 2.13.

Эмиттированные катодом электроны ускоряются напряжением так, чтобы выполнялось условие синхронизма. В этом случае ско­рость электронов и фазовая скорость обратной гармоники в ЛОВ совпадают по направлению, а поток энергии направлен в обратную сторону от коллектора электронов к электронной пушке. Поэтому вывод энергии расположен на пушечном конце замедляющей систе­мы. Все прямые гармоники поглощаются согласованной нагрузкой.

Кинетическая энергия электронного потока преобразуется в энергию электромагнитного поля, напряженность которого в вол­новедущей системе увеличивается от коллектора к катоду. Усилен­ные электромагнитные волны, распространяющиеся навстречу электронному потоку, взаимодействуют с электронным потоком с нарастающим эффектом. Электронный поток является как источ­ником энергии, так и звеном, обеспечивающим положительную обратную связь в лампе. Генерация колебаний в ЛОВ осуществля­ется за счет наличия внутренней обратной связи, распределенной по длине лампы. Эта связь обусловлена встречным движением энергии и волны в замедляющей системе ЛОВ и обеспечивает воз-

можность плавной перестройки частоты генерации при изменении ускоряющего напряжения.

Лампы типа ЛБВ и ЛОВ делятся на две основные группы. К приборам О-типа относятся лампы с продольным магнитным полем, служащего только для целей фокусировки прямолинейного электронного пучка. К приборам М-типа относятся все СВЧ-при­боры, в которых постоянное магнитное поле является поперечным.

В этом случае электроны движутся в скрещенных электрических и магнитных полях. В ЛОВ М-типа электронный поток отдает элек­тромагнитной волне часть своей потенциальной энергии. Элек­тронный поток формируется в приборах этого типа в скрещенных электромагнитных волнах. Выходящая мощность лежит в пределах

0,1...1,0 кВт при электронной перестройке частоты. ЛОВ работают в диапазоне частот 0,5... 18,0 ГГц, выходная мощность лежит в пре­делах 0,1... 1,0 кВт при электронной перестройке частоты до 30 %, КПД лежит в пределах 5...50 %.

Магнетроны (от лат. magnetis — магнит) представляют собой ко­аксиальные цилиндрические диоды в магнитном поле, направлен­ном по его оси. Магнетрон относится к классу генераторных элек­тровакуумных СВЧ-приборов, в которых формирование электрон­ного потока и его взаимодействия с электромагнитным полем СВЧ происходят в пространстве взаимодействия, где электрические и магнитные поля скрещены. Общий вид магнетрона представлен на рис. 2.14.

Число резонаторов в диоде магнетронного типа всегда четное.

В пространстве между катодом и ано­дом происходят процессы, характер­ные для любого прибора СВЧ-диапа- зона. Управление электронным пото­ком, образование сгустков электро­нов и отдача энергии высокочастот­ному электрическому полю — все эти процессы происходят в одном про­странстве.

Если для простоты считать про­странство между анодом и катодом плоскостью, то траектория электро­нов будет описываться циклоидой (рис. 2.15, а).

Благодаря рассеянию полей от­дельных резонаторов их колебания жестко связаны друг с другом, а сис-

Рис. 2.15. Циклоидальные траектории электронов в плоском магнетроне (а) и об­разование сгустков электронов (спиц) в пространстве взаимодействия цилиндриче­ского магнетрона (б)

тема всех резонаторов представляет собой единую колебательную систему.

Высокочастотные колебания в пространстве взаимодействия магнетрона имеет вид стоячей волны (рис. 2.15, б). Такие волны можно интерпретировать как сумму двух бегущих волн, распро­страняющихся в противоположные стороны.

Это достигается путем подбора значений анодного напряжения и напряженности магнитного поля. Электроны уплотняются в сгу­стки, имеющие вид спиц. Внутри спиц траектории электронов имеют сложный характер (см. рис. 2.15, б).

Кинетическая энергия электронов при их движении в спицах определяется скоростью электронов при их движении по циклои­дальной траектории. Она максимальна на вершине циклоиды, где скорость определяется как v_max = 2Е/В.

Механизм передачи энергии электронов высокочастотному полю заключается в уменьшении энергии электронов, которая максимальна у катода и близка к нулю у анода. Преобразование энергии электронов в энергию СВЧ-поля продолжается от момента их эмиссии с катода до момента достижения анода. Заметим, что часть электронов в результате сложных траекторий возвращается на катод и способствует увеличению эмиссии за счет эффекта вто­ричной электронной эмиссии. Условия синхронизма выполняются при оптимальном соотношении между анодным напряжением и значением магнитного поля.

В приборах М-типа наблюдается явление обратной бомбардиров­ки катода. Иногда в этих приборах вместо термоэмиссионных катодов используют вторично-эмиссионные, для которых не нужен подогре­ватель. Это позволяет увеличить срок службы и надежность приборов. 58

 

 

' j 9

✓

ЕйН В, ■ ■

В зависимости от режима работы различают магнетроны им­пульсного и непрерывного действия. По конструктивному испол­нению магнетроны могут быть как перестраиваемые по частоте, так и настроенные на определенную частоту. Некоторые типы магне­тронов представлены на рис. 2.16. Приведем некоторые разновид­ности магнетронов.

Митрон — магнетрон, частота генерируемых колебаний которо­го изменяется в широком диапазоне и пропорциональна анодному напряжению. •

Амплитрон (платинотрон) — мощный усилитель обратной вол­ны магнетронного типа с замкнутым электронным потоком.

Дематрон — усилитель прямой волны магнетронного типа с распределенной эмиссией.

Инжектрон — трехэлектродная импульсная модуляторная лам­па, в которой для формирования электронного пучка и управления током используется магнетронная пушка.

Карматрон — прибор обратной волны магнетронного типа в котором используется взаимодействие замкнутого электронного потока с согласованной замедляющей системой.

Мазер на циклотронном резонансе относится к электровакуум­ным СВЧ-приборам. В основе его работы лежит процесс взаимо­действия потока электронов, движущихся в постоянном магнитном поле по винтовым траекториям, с высокочастотными полями резо­наторов или волноводов на частоте, близкой или кратной к цикло­тронной частоте электронов. Эти приборы сродни квантовым. В них усиление электромагнитных волн осуществляется посредством индуцированного излучения. Эти приборы образуют отдельный класс СВЧ-приборов. Первым прибором в этом классе был гиро­трон — генератор в миллиметровом диапазоне, с достигнутой мощ­ностью в сотни киловатт. Разработан целый класс усилительных приборов: гироклистрон, гиротвистрон, гиро-ЛБВ.

2.3. Электронно-лучевые приборы

Электронно-лучевыми приборами называют класс электровакуум­ных приборов, предназначенных для преобразования информации, в которых для этих целей используют поток электронов в форме луча или пучка лучей.

Различают четыре основных типа электронно-лучевых прибо­ров: сигнал — свет; свет — сигнал; сигнал — сигнал; свет — свет.

Приборы типа сигнал — свет — это электронно-лучевые прибо­ры, позволяющие преобразовать электрические сигналы в световые изображения.

В соответствии с предложенной моделью электровакуумного прибора, сформированный устройством управления электронный луч в результате детектирования преобразуется в световой сигнал.

Осциллографическая трубка — электронно-луче­вой прибор, предназначенный для отображения и регистрации в графической форме хода быстропротекающих процессов. Пример' ная схема осциллографической трубки приведена на рис. 1.11, а на 2.17 — упрощенная схема электронно-лучевого осциллографа на ее основе. Генератор развертки Г формирует импульсы заданной час­тоты типа «пила», которые через усилитель горизонтального откло­нения У_х подается на горизонтальные отклоняющие пластины. Дл* исследования однократных или непериодически повторяющихся процессов генератор должен формировать единичные импульсы- Исследуемый сигнал поступает через усилитель У_у на пластины * Сложение этих перемещений по осям х и у приводит к вычерчива- 60

нию осциллограммы физического процесса. Для калибровки мас­штаба времени в осциллограф встраивают генератор меток времени MB, генерирующий периодические сигналы заданной длительно­сти. Эти сигналы поступают через усилитель