книги из ГПНТБ / Учебник механика военно-воздушных сил. Радиооборудование самолетов

приходят в фазе, слышимость увеличивается, если в про­ тивофазе — уменьшается.

Для борьбы с замиранием применяются различные методы. Применяют, например, приемные антенны с уз кой диаграммой направленности, ориентированные так, чтобы принимался только один луч. Эффективным ме­ тодом является прием на разнесенные антенны.

Нередко наблюдаются случаи, когда короткие вол­ ны, отражаясь последовательно от ионосферы и Земли и испытывая слабое затухание, один или несколько раз огибают земной шар. Эти сигналы могут быть приняты в том же пункте, где ведется прием основного сигнала, но с запаздыванием до нескольких секунд. Значит, если не принять специальных мер, то окажутся одновременно принятыми два сигнала, основной и его «эхо». Особен­ но сильное мешающее действие «радиоэхо» оказывает

На практике установлено, что связь на коротких волнах подвержена частым нарушениям. Исследования показали, что нарушения связи являются результатом ионосферных возмущений, вызываемых процессами, про­ исходящими на Солнце. На Солнце время от времени происходят своеобразные вспышки солнечной активно­ сти, сопровождаемые извержением потока заряженных материальных частиц. Интенсивные потоки этих частиц изменяют состояние ионизированных слоев и вызывают так называемые ионосферомагнитные бури. Во время ионосферных бурь уменьшается электронная и ионная плотность слоя F и увеличивается его высота. Отраже­ ние коротких волн становится невозможным, и связь на­ рушается. Особенно часты нарушения связи по этой причине в приполярных районах.

Временами на Солнце происходят вспышки интенсив­ ного ультрафиолетового излучения. Это излучение об­ ладает большой проникающей способностью и вызывает

жается от нескольких минут до нескольких часов и мо­ жет возникнуть только на освещенной стороне земного шара. В экваториальных областях это явление проис­ ходит чаще и проявляется интенсивнее.

3 Q

Дифракция вокруг земной поверхности в диапазоне УКВ незначительна, поэтому надежная связь возможна лишь в пределах прямой видимости. Максимальная дальность D зависит от высот передающей {hi) и при­ емной (h2) антенн и может быть определена выраже­ нием

Однако опыт применения УКВ показывает, что даль­ ность распространения их больше расстояния прямой видимости. Это объясняется явлением атмосферной ре­ фракции, т. е. свойством радиоволн преломляться в нижних слоях атмосферы. В этом случае при нормаль­ ных атмосферных условиях дальность связи может быть подсчитана по формуле (1.38) при условии замены ко­ эффициента 3,57 на коэффициент 4,12. При дальнейшем увеличении расстояния начинает оказывать влияние рассеяние радиоволн на неоднородностях тропосферы. Сущность рассеяния радиоволн на неоднородностях тро­ посферы заключается в том, что электрические свойства тропосферы в различных точках пространства непре­ рывно изменяются во времени. Причиной этого является беспорядочное движение воздуха, вызванное неодинако­ вым нагреванием (и соответственно охлаждением) раз­ личных участков поверхности Земли. Изменение темпе­ ратуры, плотности и влажности воздуха приводит к изменению показателя преломления. На рис. 1.30, а пока­ зано, как радиоволны, попавшие в область с неоднород­ ной структурой, рассеиваются во все стороны. Часть рас­ сеянного излучения улавливается приемной антенной. Принимаемая рассеянная мощность зависит от величины неоднородности и расстояния между станциями Ть R j. Поскольку беспорядочное движение воздуха всегда имеет место, то благодаря рассеянному отражению энер­ гии от неоднородностей можно получить слабый, но устойчивый прием. Причем напряженность поля рассеян­ ных волн мало зависит от частоты.

Исследованиями было установлено, что ионизиро­ ванные слои имеют также неоднородное строение. Нали­ чие неоднородностей приводит к рассеянию радиоволн. Рассеяние радиоволн от неоднородностей ионосферы про-

81

исходит аналогично рассеянию от неоднородностей тро­ посферы. Экспериментально установлено, что рассеяние происходит на высоте 70—90 км над земной поверхно­ стью. Поэтому передающая и приемная антенны дол­ жны быть ориентированы так, чтобы их диаграммы на­ правленности пересекались на этой высоте. Это опреде­ ляет предельную длину линии связи (2000—2300 км).

а

6

Рис. 1.30. Ионосферное и тропо­ сферное рассеяние радиоволн (а) и образование «атмосферного волно­ вода» (б)

Установлено, что, чем больше угол между линией при­ ема и направлением первоначального движения волны, тем меньше интенсивность рассеянного сигнала. Поэто­ му прием возможен с расстояния 800—1000 км. Прак­ тика показала, что для данного вида связи целесооб­ разно использовать волны длиной 5—10 м. Большим преимуществом связи путем ионосферного рассеяния УКВ является возможность круглосуточной работы на одной и той же частоте.

82

При определенных состояниях тропосферы УКВ

рефракция проявляется при таком состоянии атмосферы, когда коэффициент преломления очень быстро умень­ шается с ростом высоты. Распространение в этом слу­ чае происходит следующим образом. Излученная волна преломляется в атмосфере и снова возвращается на

этому получило название явления «атмосферного вол­ новода» (рис. 1.30,6). Условием, благоприятствующим его возникновению, является изменение погоды при рез­ ких изменениях температуры или влажности воздуха, например сильные ветры, приводящие к уменьшению влажности, охлаждение почвы с наступлением темноты. В результате экспериментов было выяснено, что «атмо­ сферные волноводы» появляются нерегулярно и поэтому волноводное распространение УКВ не может обеспе­ чить регулярной связи на большие расстояния.

Известно, что за попавшим в земную атмосферу ме­ теором образуется ионизированный след, от которого отражаются радиоволны. По мере того как ионное об­ лако следа метеора рассеивается, сигнал уменьшается и затем пропадает. Длительность отражения не превы­ шает 10 сек. Практически замечено, что отражения, длящиеся менее 1 сек, наблюдаются в 100 раз чаще, чем отражения, длящиеся около 10 сек. Отражения по­ лучаются на более длинных волнах метрового диапа­ зона, а на волнах короче 3 м они наблюдаются крайне редко. Поскольку метеорные ионизированные следы возникают периодически, связь за счет отражений от них осуществляется с перерывами.

Распространение сантиметровых и миллиметровых волн характеризуется почти полным отсутствием явле­ ния дифракции, распространением радиоволн в преде­ лах прямой видимости и значительным поглощением энергии в тропосфере. Энергия сантиметровых и милли­ метровых волн поглощается в атмосфере кислородом воздуха, парами воды, содержащимися в атмосфере,

83

Г Л А В А II

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ

§ I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Работа электровакуумных приборов основана на движении электронов в вакууме или электронов и ионов

вразреженном газе под действием электрического поля

впространстве между электродами. Приборы, в кото­ рых носителями электрического тока являются элек­

троны, получили название электронных приборов. Те же приборы, где в переносе электрических зарядов, кроме электронов, участвуют и ионы (атомы, лишив­ шиеся части своих электронов и обладающие положи­ тельным зарядом), называются ионными. К электрон­ ным приборам относятся электронные лампы с двумя, тремя и более электродами, а также электронно-луче­ вые трубки. К ионным приборам относятся газотроны, тиратроны, стабилитроны и неоновые лампы.

1. ЭМИССИЯ СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ

Все вещества в природе состоят из атомов. Атомы любого элемента в свою очередь состоят из положи­ тельно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра по определен­ ным орбитам. Положительный заряд ядра равен отри­ цательному заряду электронов.

В металле имеется большое количество электронов, слабо связанных с атомами, которые уже при комнат­ ной температуре являются свободными, совершающими

85

хаотические движения. Но лишь очень немногие из них могут выйти из металла. Это объясняется тем, что электронные оболочки поверхностного слоя атомов ме­ талла создают электрическое поле, тормозящее элек­ троны, вылетающие из металла. Кроме того, каждый электрон, покинувший катод, вызывает появление поло­ жительного заряда на поверхности катода. Таким обра­ зом, на поверхности катода образуется двойной элек­ трический слой, препятствующий вылету электронов из металла. Для преодоления этого слоя электрону нужно сообщить дополнительную энергию. Величина наимень­ шей энергии, которую необходимо затратить для выхода из металла в вакуум одного электрона, называется ра­ ботой выхода. Процесс испускания веществом электро­ нов в окружающее пространство называется электрон­ ной эмиссией. В зависимости от способа сообщения освобождаемым из вещества электронам дополнительной энергии различают следующие виды эмиссии:

—термоэлектронную;

—вторичную электронную;

—фотоэлектронную.

Термоэлектронной эмиссией называется излучение в окружающее пространство электронов нагретым до высокой температуры металлом или металлом, покры­ тым слоем полупроводника. Как известно, с повышением температуры скорости электронов возрастают, большее число электронов приобретает кинетическую энергию, достаточную для преодоления работы выхода. Поэтому для получения из металлов большого тока эмиссии их необходимо сильно нагревать. Для увеличения эмиссии и снижения рабочей температуры поверхность основного металла покрывают тонкой пленкой другого металла (тория, бария, цезия) или окислов щелочно-земельных металлов, обладающих малой работой выхода. В этом случае атомы этих металлов легко отдают свои валент­ ные электроны основному металлу, образуя на его по­ верхности положительно заряженный слой. Этот слой, притягивая электроны из основного металла, уменьшает работу выхода. На этом принципе устроены катоды большинства приемно-усилительных ламп.

Вторичная электронная эмиссия имеет место в ре­ зультате выбивания электронов из металла другими па­ дающими на поверхность металла электронами. Элек­

86

сколько электронов, вследствие чего может быть полу­ чено усиление электронного потока.

На этом принципе устроены фотоэлектронные усили­ тели.

Фотоэлектронная эмиссия происходит при поглоще­ нии атомами вещества лучистой энергии, вследствие чего из металла выделяются электроны. Согласно кван­ товой теории световой поток действует как поток от­ дельных, распространяющихся со скоростью света пор­ ций световой энергии, так называемых световых кван­

скорость света, а 1 — длина волны). Когда энергия кван­ та достаточно велика, то при столкновении с электро­ нами атома часть энергии затрачивается на работу вы­ хода, а остальная часть переходит в кинетическую энер­ гию электрона.

Выделение электронов из металла начинается лишь с определенной' частоты световых волн, являющейся по­ рогом фотоэффекта. Порог фотоэффекта зависит от ве­ щества освещаемого тела. Порог в видимой части света имеют щелочные металлы (натрий, калий, цезий, руби­ дий). Поэтому светочувствительные элементы фотоэле­ ментов обычно делаются из указанных металлов.

2. КАТОДЫ

Катоды различают по способу нагрева и виду эми­ тирующей поверхности. По способу нагрева катоды бы­ вают прямого и косвенного накала (подогревные като­ ды). В зависимости от вида эмитирующей поверхности различают простые катоды из чистого металла и сложные катоды, покрытые по поверхности основного металла пленкой другого металла или окислами ще­ лочноземельных металлов.

87

Катоды прямого накала бывают простые и сложные (активированные). Они выполняются из металлических нитей различной формы (рис. II.1, а). При нагреве ка­ тодов прямого накала, изготовленных из тонкой прово­ локи, переменным током их температура изменяется с удвоенной частотой питающего тока, вследствие чего

изменяется в такт с изменением температуры и эмисси­ онная способность катода. При использовании же тол­ стой нити колебания температуры, а следовательно, и тока эмиссии катода незначительны из-за большой теп­ ловой инерции нити. Толстые нити могут применяться только в мощных лампах.

Для предотвращения изменения эмиссионной способ­ ности катода при питании его переменным током приме­ няются подогревные катоды. Подогревной катод состоит из излучателя электронов и подогревателя (рис. II.1,6). Подогревателем служит нить накала, выполненная из вольфрама или его сплава с молибденом. Нить накала покрыта изолятором. На изолятор надета трубка из ни­ келя, покрытая оксидным слоем, которая по существу и является катодом. Обычно от излучателя делается от­ дельный вывод, называемый катодным выводом. В не­ которых лампах излучатель непосредственно соединяет­ ся с подогревателем внутри баллона лампы. Подогрев­ ные катоды можно нагревать переменным током, так как катоды имеют относительно большую массу и, нагрев­ шись, не успевают заметно менять свою температуру. Поэтому ток эмиссии катода при питании подогревателя переменным током практически не меняется.

88

Простые катоды обычно изготовляются из вольфра­ ма, так как он обладает достаточно высокой темпера­ турой плавления, хорошими физическими свойствами (ковкостью и тягучестью) и сравнительно высоким по­ стоянством эмиссии во времени. К недостаткам воль­ фрамовых нитей можно отнести:

—низкую экономичность из-за большой затраты энергии, требуемой на разогрев катода до высокой тем­ пературы для получения необходимой эмиссии электро­ нов с катода;

—критичность к перегреву катода. При перегреве нить катода распыляется и вследствие этого ее диаметр

в мощных лампах. Во всех других случаях применяются активированные катоды (торированные или оксидные).

Торированные катоды изготовляются из вольфрамо­ вой проволоки с добавлением окиси тория. При прока­ ливании такого катода на его поверхности образуется слой тория, имеющий положительный заряд. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, то выход сво­ бодных электронов вольфрама за его пределы облег­ чается, т. е. уменьшается работа выхода электронов из металла. Однако торированные катоды чувствительны к перегреву, который сокращает срок их службы. Для получения более стабильного тока эмиссии и большего срока службы катод карбидируют, т. е. добавляют в со­ став катода углерод. Это достигается путем прокали­ вания катода в парах бензола или нафталина. Такой катод при температуре 2000°С обладает эффективно­ стью до 70 ма/вт со сроком службы до 500 час. Недо­ статком таких катодов является хрупкость нити. Карбидированные катоды применяются в генераторных лам­ пах малой и средней мощности.

Оксидные катоды образуются нанесением на метал­ лическое основание, выполненное из никеля или воль­ фрама, смеси окислов щелочноземельных металлов (бария, стронция и калия). При нагреве на поверхности катода образуется активный слой бария. Такие катоды имеют большую эффективность (до 250 ма/вт) при низ­

89