книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот
..pdfСистема также окажется устойчивой, если быстрые кратковременные обратимые изменения частоты С не окажут воздействия на систему.
Наконец, пределы регулировок станции D должны обеспечивать изменение частоты в процессе срока служ бы прибора Д/.
Таким образом, для аппаратуры будет обеспечена устойчивая работа, если абсолютные изменения и ско рость изменения параметров приборов СВЧ будут опре деленным образом сопрягаться с постоянными аппара туры: Л, В, С и D.
В рассмотренном случае условия сопряжения прибо ров с аппаратурой будут определяться выражениями:
Более строгое решение задачи устойчивости аппара туры при воздействии на приборы СВЧ дестабилизирую щих факторов требует привлечения методов, разрабо танных А. М. Ляпуновым [19] в теории устойчивости движения с привлечением статистических законов учета изменений параметров от дестабилизирующих воздей ствий. В этом отношении могут оказаться полезными ра боты о статистическом рассмотрении динамических си стем [20] и доклады на 1 Международном конгрессе Международной федерации по автоматическому управ лению (ИФАК) [21].
|
|
Л И Т Е Р А Т У Р А |
|
1. Очерки истории |
радиотехники. Изд-во АН ССОР, |
1960. |
|
2. |
В л а с о в В. Ф. Электронные и шон-ные ‘приборы. Связьиздат, |
||
1960. |
|
|
|
3. |
К о в а л е н к о |
-В. Ф. 'Введение *в электронику |
сверхвысо |
ких частот. Изд-во «Советское радио», '1955.
4.К а л и н и н В. И. Генерирование дециметровых и сантимет ровых волн. Связьиздат, 1948.
5.Н е й м а и М. С. Трнодные и тетродные генераторы сверх высоких частот. Изд-во «Советское радию», 1950.
6. Л о и у х и н В. М. Возбуждение электромагнитных колебаний и волн электронными потоками. Гостехиздат, il953.
32
7.Г в о з д о в е р ■С. Д . Теория электронных приборов сверх высоких частот. Гостехнздат, 1952.
8.Б ы ч к о в С. И. 'Вопросы теории ад 'Практического примене ния .многорезонаторных магнетронов. ЛКВВИА им. Можайского, 1958.
9. |
К а л и и и и |
В. |
И., |
Г е р ш т е й н |
Г. |
М. Введение в радио |
||||
физику. Гостехпздат, |
1957. |
|
|
|
|
|
|
|||
НО. Ш е в ч и к |
В. |
'Н. |
Ооновы |
электроники |
сверхвысоких |
ча |
||||
стот. Изд-по «Советское радио», 1959. |
|
|
|
|
||||||
11. |
К у к а р н н |
С. В. Современное |
состояние |
и тенденции |
раз |
|||||
вития |
трнборои |
СВЧ |
(но 'материалам иностранной литературы). |
|||||||
Изд-во «Советское радио», il962. |
die |
Mikrowellenelektronik. |
1952, |
|||||||
12. |
K l e e n |
W. |
'Einfulmmg in |
|||||||
s. 125. |
W a r п е с к е |
R.^ L’Evolution des |
tubes |
electronignes |
mo- |
|||||
13. |
dernes pour micro-oudcs,’Convegue di Electronica e Telewisione, Mi lano. 1954, p. 706.
14. Ф р е н к е л ь |
Я. И. |
Избранные |
труды, |
т. |
1. |
Изд-во |
|
АН СССР, 1956. |
|
|
|
|
|
|
|
115. Т.у р о в е р |
Я. М. -Классификация электронных приборов |
||||||
сверх'выооких частот. «Электроника», '1958, |
№ 5, |
стр. |
82—85. |
||||
116. М о р о з о в |
И. И. Надежность элементов радиоэлектронной |
||||||
аппаратуры. «Радиоэлектронная 'промышленность», 1958, № 3. |
|||||||
17. А с т а ф ь е в |
А. В. Окружающая среда и надежность ра |
||||||
диотехнической аппаратуры. Госэнергоиздат, '1959. |
|
|
|
||||
118. S i d e r i s G. Materials |
for |
lEnviromental .Extremes, |
Electro |
||||
nics, December, 1959. |
|
|
|
|
|
|
|
19. Д у б о ш и н |
Г. Н. Основы |
теории |
устойчивости |
движения. |
|||
Изд-во МГУ, 1952. |
|
|
|
|
|
|
|
20. А н д р о п о в |
А. А., И о н т р я ги н |
С., В и т т А. А. |
О ста |
тическом рассмотрении динамических систем. ЖЭ и ТФ, 3, 4933,
№3.
21. Статистические методы исследования. Теория структур, м оде-. лнрование, терминология, оборудование, Труды 4 Международной
федерации по |
автоматическому управлению. |
Изд-во |
АН |
СССР, |
|||
1961. |
|
|
|
|
|
|
|
22. CrossedrFielid Microwave Devices, Editor in chief E. Okress, |
|||||||
Academic Press, 'New York a. London, |
1961. |
|
|
|
|||
«Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными |
|||||||
полями». Пер. |
с |
англ, |
под общей редакцией |
М. М. |
Федорова, |
||
Изд-во иностранной литературы, 11961. |
|
|
|
|
|||
23. Б ы ч к о в |
С. |
И., Б у р е н и н |
Н. И., |
С а ф а р о в |
Р. Т. |
Стабилизация частоты генераторов СВЧ. Изд-во «Советское радио», 1962.
24. Проект ГОСТ «Приборы электровакуумные» '(Классифика ция, термины, определения)», составленный С. А. Оболенским, изд. Ленинградского электровакуумного завода «Светлана», 1941.
25 |
iD. А. Т. A .’s. Microwave tube. 'Characteristics tabulation. П959, |
|
vert. Ш; |
1961, vol. VII. |
|
26. |
M и ii ц |
А. Л. Радиоэлектроника (краткая история н дости |
жения). |
Изд-во |
АН ССОР, 1963. |
33
ГЛАВА 2
ТРИОДЫ И РАЗНОВИДНОСТИ ЛАМП С СЕТКАМИ ДЛЯ ДИАПАЗОНА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ
На протяжении последних 10—15 лет высказывались мнения о том, что «век» триодов и других ламп с сетка ми для диапазона сверхвысоких частот вот-вот должен кончиться. Однако и поныне они прочно занимают свое место среди других электронных приборов. Свидетель ством этого является достаточно большой спрос, особен но на триоды СВЧ, совершенствование их серийного производства и непрерывное проведение новых разра боток, направленных на повышение эффективности и надежности работы триодов все в более коротковолно вой части сантиметрового диапазона волн и дальнейшее наращивание их мощности в освоенных диапазонах волн.
Ниже будет приведен анализ применения триодов в генераторах сверхвысоких частот, предназначенных для непрерывного и импульсного режимов работы в раз нообразных условиях использования.
Затрагиваются также вопросы применения ламп с сетками в качестве усилителей СВЧ, умножителей ча стоты и детекторов.
Более подробно будут рассмотрены свойства трио дов СВЧ при работе в предельных режимах, а также оценены преимущества и недостатки триодов СВЧ и на метившиеся тенденции в развитии данного класса при боров.
2.1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ СОВРЕМЕННЫХ ТРИОДОВ СВЧ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
В 1936—1939 гг. были разработаны триоды так назы ваемой «пуговичной» конструкции, обеспечивающие от даваемую мощность 15—5 вт на частотах 500—700 Мгц.
34
в виде двухпроводной линии. Такие линии затрудняли сопряжение лампы с контуром и приводили к большим потерям в переходных контактах и на излучение.
Триоды же маячковой конструкции и в металло-ке рамическом оформлении типа -6С5Д, ГИ-14Б, ГИ-12Б, 2С-38 и др. предназначаются для контуров в виде коакси альной линии, что позволило существенно снизить поте ри за 'счет элементов конструкции колебательных систем и, таким образом, повысить эффективность работы трио дов >в диапазоне сверхвысоких частот {3].
Создание миниатюрных триодов в стеклянном и ме талло-керамическом оформлении типа ГС-4, 6CI7K, 6ВУ4, BTL-1553 и др. с резко уменьшенными расстоя ниями между электродами и потерями в диэлектрике, пригодных для .расположения в контурах в виде объем ных резонаторов и полосковых передающих линий, ока залось дальнейшим шагом в деле разработки триодов для более коротких длин волн.
Наряду с расширением частотного диапазона и уве личением уровня отдаваемой мощности триодов шел процесс повышения их срока службы, темпер атуростойкости, надежности с учетом использования триодов в наземной, корабельной и авиационной радиоэлектрон ной аппаратуре, а также в бортовой аппаратуре ракет и искусственных. спутников.
Схемы триодных генераторов СВЧ в принципиаль ном отношении имеют отличительные особенности по сравнению с триодными генераторами низких частот [4, 5]. Эти -особенности связаны с конструктивными эле ментами лампы, контура и обратной связи. Для низких частот к электродам триода необходимо подключить по меньшей мере три реактивных сопротивления, которые могут образовывать контур, настроенный на частоту ге нерируемых колебаний, и обратную связь. В диапазоне СВЧ лампа и контур образуют единое целое. Благодаря этому триодный генератор СВЧ аналогично генерато рам на низких частотах с самовозбуждением может быть построен при подключении к триоду всего двух реактивных сопротивлений, роль третьего реактивного сопротивления выполняет сама лампа (междуэлектродные емкости).
Имеются три возможных способа подключения ре активных сопротивлений к электродам триода, что по-
36
зволяет конструировать триодиые генераторы по трем различным схемам, а именно: с общйми сеткой (рис. 2.2,а), анодом (рис. 2.2,6) и катодом (рис. 2.2,а).
Включение реактивных сопротивлений в цепь катода (Хк), анода {Ха) и сетки (Хе) часто по конструктивным соображениям целесообразно производить с одной сто роны к электродам лампы, с другой — к корпусу монта жа схемы («заземление»). По этой причине (благодаря значительным индуктивностям в цепи катода большин ства триодов СВЧ) схема, «приведенная на -рис. 2.2,в, яв-
Рис. 2.2. Принципиальные схемы триодных генераторов.
ляется наименее предпочтительной. Более широкое при менение в диапазоне СВЧ находят схемы, представлен ные на рис. 2.2,а « б.
В схемах с общими сеткой и анодом установка ча стоты в основном определяется анодно-сеточной реактив ностью A'a, в то время как катодно-сеточная реактивность и междуэлектродные емкости служат для регулировки обратной связи.
Реактивные сопротивления Ха, Xg и AK в диапазоне СВЧ выполняются в виде отрезков коаксиальных линий, объемных резонаторов и реже в виде двухпроводных линий.
С целью уменьшения индуктивностей вводов электро дов и удобства сочленения с колебательными система ми в виде коаксиальных • линий и объемных резонато ров триоды СВЧ в большинстве случаев конструируются с дисковыми или цилиндрическими выводами. Для уменьшения междуэлектродных емкостей и ослабления
37
влияния инерции электронов на эффективность работы триодного генератора СВЧ расстояние между электро дами выбирается компромиссным путем. Малые рас стояния между электродами (десятки и сотни микрон) при высокой точности установки их от лампы к лампе (для обеспечения взаимозаменяемости ламп в аппара туре) заставляют применять плоскопараллельную систе
му электродов.
В этом случае величина междуэлектродной емко сти С (пф) и угол пролета электронов между электро дами Ф (рад) определяются выражениями
|
С — |
|
) |
|
|
_ |
НМ |
| |
(2Л) |
» -- ШХфПКТ-----у—, |
|
|||
где d — расстояние |
между |
электродами, см; |
|
|
S — поверхность |
электродов, см2; |
|
|
U— напряжение, приложенное к электродам, в; f — частота, Мгц;
"Гфикт — время пролета электронов между электродами (без учета фазы вылета электронов из като да), сек;
е— относительная диэлектрическая проницаемость среды (при отсутствии электронного тока е= 1).
Выражения (2.1) позволяют производить ориентиро вочный расчет геометрии электродов с учетом питающих напряжений и частоты генерируемых колебаний. Наобо рот, зная геометрические размеры лампы, согласно вы ражениям (2.1) можно оценить предельные значения параметров лампы.
Таким образом, для ориентировочного расчета трио дов СВЧ могут быть использованы законы подобия.
Зависимость между величинами напряжения, часто тами и расстояниями, которые электрон пройдет за дан ный отрезок времени, можно определить из уравнения движения электрона под действием электрического по ля, а именно:
- е Е = т % , |
(2.2) |
где е и т — заряд и масса электрона;
38
Е— напряженность электрического поля, НоД действием которой электрон перемещается
вдоль координаты х ^ £ = -^ -, где U — на
пряжение, приложенное между электрода ми, расположенными на расстоянии d).
По размерности уравнение (2.2) определяется выра жением вида
|i |= [ £ H |
^ H |
onst- |
(2-3> |
||
Из выражения для |
угла |
пролета |
электронов (2.1), |
||
т. е. i‘) ~-p4r, |
следует, |
что для триодов, |
рассчитанных |
||
на одну и ту |
же частоту (f= const), |
но |
отличающихся |
друг от друга по геометрическим размерам в п раз, на пряжения, прикладываемые к электродам, должны быть изменены в п2 раз.
С учетом мощности рассеивания на электродах, до пустимой плотности тока катода ^Ук= ~ - , где 5К —
площадь катода) и величины переменного напряжения на управляющей сетке Ue, которая ограничивается элек трической прочностью, для каждого триода может быть вычислена своя предельная длина волны, ниже которой он не может быть использован по причине резкого паде ния эффективности генератора (к. п. д. и отдаваемой мощности). Предельные длины волн триодных генерато ров были оценены в работах Л. А. Котоминой и М. С. Неймана [7, 29]. Приближенный расчет предель ных длин волн триодов может быть определен из усло вий времени пробега электронов от катода до сетки и максимально допустимого значения плотности тока ка тода, а именно:
^3-10*
У "*
5 2,3310-
'• 1 |
(2.4) |
и |
|
напряжения на
сетке, в;
39
Ajip и |
dg— длина воЛиы и paCcfojiHrte Катод — Сетка, т \ |
h макс — плотность тока эмиссии, а/см2. |
|
Из |
выражения (2.4) следует, что |
Расчет величины выходной мощности для предельной длины волны триодного генератора может быть произве ден по геометрическим размерам триода, определимым предельно допустимой мощностью рассеивания и ампли тудой переменной составляющей напряжения на управ ляющей сетке лампы.
Частотная граница для современных триодов, ис пользуемых в генераторах СВЧ, может быть определе на данными, указанными в табл. 2.1 (с учетом коэффи циента полезного действия триодных генераторов при различных уровнях отдаваемой мощности).
Т а б л и ц а 2.1
Область применения триодных генераторов СВЧ по уровню
мощности и диапазону |
частот в непрерывном режиме |
||
Отдавае |
|
Допустимыь значе |
Частотная граница |
мая мощ |
Назначение генера |
ния к. п. д. для |
|
ность, |
практического ис |
применимости трио |
|
am |
торов СВЧ |
пользования генера |
дов СВЧ, М гц |
|
|
торов, % |
|
10 000— Передающие ус
500тройства боль шой мощности
5 0 -1 0 |
Передающие |
|
устройства сред |
|
ней мощности |
3—0,05 |
Передающие |
устройства малой мощности, измери тельные генера торы и гетероди ны
3 5 -4 0
10— 15
сч 1 хп о
700— 1 000
1 500—3 000
4 000— 10 000
Данные наиболее распространенных отечественных н зарубежных триодов СВЧ по величине мощности и к. п. д. в |рабочих диапазонах частот показаны на рис. 2.3 и 2.4. Здесь не рассматриваются сверхмощные триоды, хотя известны данные о достижении в па-
4 0
300x8т
л -гз щ т ) |
М8т |
41