книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот
..pdfТ а б л и ц а 5.2
Основные данные входных, промежуточных и выходных ЛЕВ
для диапазона частот 3 400—4 400 М ги, |
|
|
|||||
|
|
|
Тип лампы |
|
|
||
режнмои |
УВ-5 | |
УВ-6 |
|
|
УВ-7 |
||
|
|
|
|
||||
Коэффициент шума, дб . . . |
не более 8 |
_ |
|
|
_ |
||
Коэффициент |
усиления, дб . . |
> 1 8 |
? 3 0 |
|
|
S?2G |
|
Выходная мощность, вт . . . |
— |
0,03 |
|
|
3 |
||
Напряжение накала, а . . . . |
2 - 3 |
3 - 4 |
|
|
6,3 |
||
Напряжение |
управляющего |
12 |
- 3 0 |
|
|
—50 |
|
электрода (не более), в . . |
|
|
|||||
Напряжение первого анода, в |
5— 180 |
100—500 |
1 |
100— 1 400 |
|||
800— 1 |
100 |
||||||
Напряжение |
второго анода, в |
400—500 |
|||||
< 350 |
|
|
< 3 000 |
||||
Ток спирали, м к а ..................... |
< 3 0 |
|
|
||||
Напряжение коллектора, в . . |
600 |
1 300 |
|
|
1 500 |
||
Ток коллектора, м а . . . . |
1 |
2—4,5 |
|
|
20—25 |
||
КСВ входа |
и выхода по на |
< 1 ,6 |
< 1 .6 |
|
|
< 1 ,6 |
|
пряжению ................................. |
|
|
|||||
Долговечность, ч а с ................ |
1000 |
1 000 |
|
|
1 000 |
||
Юстировка ламп в магнитном поле соленоида может |
|||||||
производиться по максимуму тока коллектора. |
показы |
||||||
Опыт конструирования малошумящих ЛБВ |
|
вает, что более высокие результаты по коэффициенту шума наиболее просто достигаются при специально по добранной форме распределения магнитного поля вдоль оси лампы и ускоряющих электродов [39].
Ограничения при применении ЛБВ, особенно цепо чек из ряда ламп, в значительной мере связаны с боль шим весом и габаритами. Подобную трудность до по следних лет не удается преодолеть для входных ламп с весьма малым коэффициентом шума.
Для ламп же промежуточных или выходных, требова ния к которым в отношении шумов невелики, предложе ны конструкции пакетированных ЛБВ с периодической магнитной системой фокусировки, с центробежно-элек тростатической (спиротроны), периодической электро статической и ионной фокусировками. Применение этих ламп, приобретающих с каждым годом все более широ кое распространение, повышает эксплуатационные каче ства аппаратуры на ЛБВ.
242
зование для этой цели ЛБВ упрощает устройство для формирования ианосекундиых импульсов, обеспечивая их усиление в широкой полосе пропускания (свыше 500—1000 Мгц). Подобное «применение ЛБВ рассмотре но в некоторых работах [12, 38]. Колебания СВЧ, генери руемые клистроном в непрерывном режиме, подаются па вход ЛБВ, к спирали .которой подводится синусоидаль ное напряжение от модулятора. В связи с тем, что ЛБВ усиливает в определенном диапазоне напряжений, при кладываемых к спирали, возможно усиление сигнала от
клистрона в узкие отрезки времени. Варьируя |
частотой |
и амплитудой напряжения .па спирали или |
подводя |
к спирали импульсы напряжения определенной |
формы, |
можно получать весьма кратковременные импульсы СВЧ различной длительности и частоты следования.
5.3.ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ НА ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И СРОК СЛУЖБЫ ЛБВ
Эффективное использование ламп бегущей волны требует более подробных сведений о зависимостях вы ходных параметров и срока службы от режима работы.
Рассмотрим это на примере входной ЛБВ со средним значением коэффициента шума, близкой по параметрам к лампе по типу УВ-5.
На рис. 5.9 приведены зависимости тока коллектора, коэффициентов шума и усиления от напряжения накала, из которых видно, что для обследуемого образца ЛБВ оптимальное значение напряжения накала равно 3,2 в. Если к лампе предъявляется требование кш< 8 дб, то до пуск на изменение накала, как это следует из графика, составляет ±0,32 в (±10% ). Подобный допуск на ста бильность по сети переменного тока обеспечивается с большим запасом во всех радиотехнических устрой ствах. Поэтому задача оператора состоит в правильном установлении номинального напряжения накала, указан ного в паспорте на ЛБВ.
Зависимости 1К0Я, km и kvc от йапряжения на управ ляющем электроде и первом аноде показаны на рис. 5.10 и 5.11. Из этих графиков видно, что напряжения на управляющем электроде и первом аноде не являются критичными при установлении режима работы ЛБВ.
Величина тока электронного пучка, проходящего че рез спираль (ток коллектора), оказывает существенное
244
Рис. 5.9. Графики зависимости тока коллектора, коэффициента усиления и коэффициента шума от на пряжения накала.
Рис 5 10 Графики зависимости тока коллектора, коэффи циента усиления и коэффициента шума от напряжения на управляющем электроде.
245
влияние на коэффициент^ шума й усиления, которые возрастают с увеличением тока пучка (рис. 5.12). Для рассматриваемого типа ЛБВ нижний предел тока кол-
Рнс. 5.11. Графики зависимости тока коллектора, коэффи циента усиления и коэффициента шума от напряжения перво го анода.
лектора ограничен минимально допустимым значением коэффициента усиления, а верхний — максимально .до пустимым уровнем шумов.
Рис. 5.12. Графики зависимости коэффициента усиления и коэффициента шума от тока коллектора (спирали).
246
Параметры ЛБВ достаточно критичны к величине напряжения спирали, -на что при выборе режима рабо ты ЛБВ следует обращать внимание.
Характер изменения коэффициентов шума и усиления от изменения напряжения на спирали показан на рис. 5.13. Как следует шз трафика, -максимум коэффици ента усиления и -минимум коэффициента шума соответ ствуют приблизительно одинаковому значению на-пряже-
Рис. 5.13. Графики, зависимости коэффициента усиления и коэф фициента шума от напряжения спирали.
ния на спирали. Это является типичным для большин ства типов малошумящих ЛБВ.
Оптимальные значения электрического режима рабо ты обследованных образцов ЛБВ и допустимые преде лы изменения режима, установленные из условия под держания коэффициента шума менее 8 дб и коэффициен та усиления более 25 дб, даны в табл. 5.3.
При применении ЛБВ в когерентных радиоэлектрон ных Системах выбор и поддержание режима работы лампы помимо коэффициентов усиления и шума опре деляется требованиями по стабильности фазы усиливае мых сигналов. Ориентировочно сдвиг фазы выходного сигнала относительно входного прямо пропорционален
247
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 5. 3 |
|
Данные электрического режима работы ЛБВ |
||||||
|
|
(по типу УВ-5) |
|
|
|
|
|
|
Прп-условии кш^ 8 |
дб, |
к.ус^2 5 д б |
||
Наименование |
оптимальные |
допустимые пределы |
||||
напряжения " |
абсолютные |
|
относитель |
|||
и тока |
значения |
|
||||
|
|
|
значения |
|
ные значения |
|
и я |
3,2 |
в |
2 ,9 - 3 ,6 |
в |
|
+ 10% |
U yn p |
9,4 |
в |
8 ,5 - 1 0 |
в |
|
± 8 ,5 % |
и Я1 |
56,5 в |
55—80 в |
|
+ 18,5% |
||
|
550 лиса |
450—640 мка |
+ 16,5% |
|||
С/'сп |
350 в |
343—358 в |
|
± 2 ,1 % |
длине замедляющей системы и обратно пропорционален корню 'квадратному из ускоряющего напряжения.
Фазовый коэффициент для входных и промежуточ ных ЛБВ, характеризующий смещение фазы усиливае мых сигналов от изменения напряжения на замедляю щей системе, составляет Аф/ДС/Сп=-5-ь 15 град/в.
Приведенные данные зависимости основных выход ных параметров ЛБВ от электрического режима рабо ты свидетельствуют о необходимости при эксплуатации ЛБВ правильно устанавливать питающие напряжения в соответствии с требованиями паспорта на лампу. Под держание же этих режимов в процессе эксплуатации не представляет больших затруднений, так как допуски на изменение режима значительно больше по сравнению со стабильностью .питающих напряжений в аппаратуре.
Следующий вопрос, требующий специального рас смотрения, связан с влиянием электрического режима работы на срок службы ЛБВ.
На рис. 5.14 показана ориентировочная зависимость коэффициента шума ЛБВ от срока службы при номи нальном режиме работы ЛБВ.
Некоторым уменьшением тока в пучке (за счет по нижения коэффициента усиления) и облегчением темпе ратурного режима работы можно добиться существен ного увеличения срока службы ЛБВ в 2—3 и более раз. Наоборот, установление предельно допустимых значе ний напряжения накала, напряжения на спирали и тем-
248
пературы баллона лампы, а тем более сверх этих зна чений приводит к катастрофическому сокращению срока службы и резкому понижению надежности ЛБВ в экс плуатационных условиях.
Рис. 5.14. Характер изменения коэффициента шума ЛБВ от срока службы..
5.4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ И КВАНТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ, ИХ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ И ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Параметрические и квантовые усилители и генера торы являются сравнительно новыми приборами СВЧ. Однако они начинают прочно занимать место в тех слу чаях, когда требуются малые уровни шумов или источ ники колебаний весьма высокой стабильности.
Опыт применения этих видов приборов еще незначи телен: многие приборы находятся в стадии опытных раз работок, не выявились наиболее перспективные схемы приборов, идет бурный процесс их развития.
Идея использования параметрических явлений для усиления и генерирования электромагнитных колебаний была показана в 30-х годах Л. И. Мандельштамом, Н. Д. Папалекси [15] и развита в работах В. В. Мигулина [16] и других советских и иностранных ученых
[J7— 20].
249
Принцип действия параметрического усилителя, по строенного с.использованием полупроводникового диода, феррита, электронных пучков в вакууме и т. п., основан на модуляции реактивного сопротивления (параметра емкости или индуктивности) контура, благодаря чему изменяется энергетическое состояние электрической си стемы.
Квантовые приборы для усиления и генерирования колебаний СВЧ были предложены в 1954 г. советскими физиками Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым [21] и не сколько позднее американскими учеными Гордоном, Цангером и Таунсом [22], которые назвали эти приборы
«мазерами».
Более подробные сведения о физической сущности яв лений в квантовых приборах, их устройстве и свойствах можно найти в работах [23—25].
В квантовых приборах эффект усиления или генера
ции достигается путем |
взаимодействия |
поля сигнала |
с внутренней энергией |
молекул, атомов |
иди ионов ве |
щества, находящегося в газообразном или твердом со стоянии.
* Внутренняя энергия частиц (молекул, атомов, ионов), состоящих из совокупности определенным образом дви жущихся и ориентированных электронов и атомов ядер, как говорят, квантована, т. е. соответствует определен ным энергетическим уровням.
Процесс взаимодействия электромагнитного поля с частицами связан с переходом с одного энергетическо го уровня на другие и осуществляется только при усло вии возбуждения частиц внешней энергией. Последнее обычно осуществляется с помощью подведения к ве ществу колебаний СВЧ.
Таким образом, несмотря на различную физическую сущность параметрических и квантовых приборов, имеется между ними некоторая общность, состоящая в том, что для их работы необходимы источники вспо могательного' излучения (генераторы подкачки). Много общего имеется и в радиотехнических схемах при при менении параметрических и квантовых усилителей и ге нераторов. Остановимся более подробно на параметри ческих полупроводниковых усилителях и квантовых уси лителях на твердом теле, используемых в входных устройствах приемников высокой чувствительности.
250
Блок-схема и основные элементы резонаторного па раметрического и квантового усилителей проходного и отражательных типов показаны на рис. 5.15. Отсюда видно, что обязательными составными частями обоих усилителей являются:
—резонатор (иногда система резонаторов);
—нелинейный элемент в виде полупроводникового диода на основе германия или арсенида галлия (в пара-
■4
Рис. 5.15. Блок-схема резонаторного'параметрического и квантового усилителей (а — проходного типа; б — отражательного типа).
251