Электровакуумные приборы миллиметрового и субмиллиметрового диапазона

gn="justify">     Максимальный  коэффициент полезного действия в ЛОВ типа О не больше нескольких пройентов. Диапазон частот от единиц ГГц до единиц ТГц

     ЛОВ применяются в широкодиапазонных  сигнал- и свип-генераторах для  радиотехнических измерений и радиоспектроскопии, в основном для генерации терагерцового излучения, в гетеродинах быстро перестраиваемых приёмников, в задающих генераторах передатчиков с быстрой перестройкой частоты и т. д. 

Клистроны 

     Первые  конструкции пролётных клистронов были предложены и осуществлены в 1938 Расселом Варианом и Сигуртом Варианом. Отражательный клистрон был разработан в 1940 году Н. Д. Девятковым, Е. Н. Данильцевым, И.В.Пискуновым и независимо В. Ф. Коваленко. Клистроны подразделяются на пролетные и отражательные. В пролётном клистроне электроны последовательно пролетают сквозь зазоры объёмных резонаторов. В простейшем случае резонаторов 2: входной и выходной. Дальнейшим развитием пролётных клистронов являются каскадные многорезонаторные клистроны, которые имеют один или несколько промежуточных резонаторов, расположенных между входным и выходным резонаторами. В отражательном клистроне используется один резонатор, через который электронный поток проходит дважды, отражаясь от специального электрода — отражателя.[2] 

Пролетные клистроны 

     В клистроне имеются два объемных резонатора с ёмкостными сеточными  зазорами. Первый резонатор называют входным, или модулятором; второй — выходным. Пространство между ними называют пространством дрейфа или группирования.

     Электроны, эмитируемые катодом, ускоряются постоянным напряжением U₀ второго электрода и попадают в узкий сеточный зазор первого резонатора, в котором имеется продольное СВЧ поле. Это поле периодически ускоряет и замедляет электроны, модулируя электронный поток по скорости. Двигаясь далее в пространстве дрейфа, электроны постепенно образуют сгустки за счёт того, что быстрые электроны догоняют медленные. Этот модулированный по плотности электронный поток попадает во второй резонатор и создает в нем наведенный ток той же частоты, что и частота входного модулирующего поля. В результате между сетками резонатора появляется высокочастотное электрическое поле, которое начинает взаимодействовать с потоком электронов. Необходимые параметры клистрона подбираются таким образом, чтобы электрическое поле второго резонатора тормозило сгустки электронной плотности и ускоряло её разряжения. В результате в среднем за период одного колебания поля тормозится большее число электронов, чем ускоряется. Кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию СВЧ колебаний электромагнитного поля второго резонатора, а электроны, пройдя резонатор, оседают на коллекторе, рассеивая оставшуюся часть кинетической энергии в виде тепла.  КПД не превышает 20% 

Рис. 1.6  Устройство пролетного клистрона.

Многорезонаторный клистрон 

     В многорезонаторных клистронах между  входным и выходным резонаторами помещают дополнительные не нагруженные  резонаторы. В качестве примера, поясняющего  особенности их работы, достаточно рассмотреть пролётный трёхрезонаторный клистрон.

     Предположим, что промежуточный резонатор  точно настроен на частоту входного сигнала. Как и в двухрезонаторном клистроне, во входном резонаторе электроны модулируются по скорости и далее группируются в первом пространстве дрейфа. Если на вход поступает слабый входной сигнал, то и модуляция электронного потока будет незначительной. При этом величина наведенного тока во втором резонаторе также будет малой. Однако, поскольку не нагруженный промежуточный резонатор является высокодобротной системой, то даже при малой амплитуде конвекционного тока напряжение, создаваемое на его сетках, будет большим. Этому в значительной мере благоприятствует то обстоятельство, что второй резонатор не связан с внешней нагрузкой. Суммарная активная проводимость второго резонатора определяется только потерями в самом резонаторе и электронной нагрузкой затвора. 

Рис. 1.7 Устройство многопролетного клистрона 

     В установившемся режиме ток и напряжение во втором резонаторе имеют ту же частоту, что и частота входного сигнала. Напряжение, наведенное на втором резонаторе, вызывает сильную модуляцию скорости электронов и сильную группировку  электронного потока во втором пространстве дрейфа. В результате распределение  электронов в сгустках их плотности  будет определяться вторым резонатором  и зависимость конвекционного тока в третьем резонаторе будет примерно такой же, как в двухрезонаторном клистроне, образованном вторым и третьим  резонаторами, но при модулирующем напряжении гораздо большем, чем  модулирующее напряжение первого резонатора. При этом коэффициент усиления значительно увеличится, так как группирование электронов осуществляется при значительно меньшей амплитуде входного сигнала, подводимого к первому резонатору. Аналогичные процессы протекают в каждом промежуточном резонаторе многорезонаторного клистрона.

     С физической точки зрения повышение  коэффициента усиления многорезонаторного клистрона достигается не за счёт увеличения КПД и выходной мощности, а за счёт снижения мощности сигнала, необходимой на входе усилителя  для управления электронным потоком. Предельное значение КПД 58%. 

Отражательный клистрон 

     Отражательные клистроны предназначены для  генерирования СВЧ колебаний  малой мощности.

     Отражательный клистрон имеет один резонатор, дважды пронизываемый электронным потоком. Возвращение электронов осуществляется с помощью отражателя, находящегося под отрицательным постоянным потенциалом  по отношению к катоду. Таким образом, резонатор играет роль группирователя при первом прохождении электронов и роль выходного контура при  втором прохождении. Промежуток между  резонатором и отражателем играет роль пространства дрейфа, где модуляция электронного потока по скорости переходит в модуляцию по плотности.

     Для того чтобы клистрон мог генерировать СВЧ колебания необходимо, чтобы  сгустки электронного потока, сформированные при первом прохождении сквозь резонатор, проходили через резонатор при  обратном движении в те моменты, когда  в нём имеется тормозящее высокочастотное  электрическое поле. Электронный КПД отражательных клистронов ниже, чем у пролётных клистронов, и его реально достижимое значение не превышает нескольких процентов. 

Рис 1.8 Устройство отражательного клистрона 

     В пределах каждой зоны генерации возможна электронная перестройка частоты. На практике её осуществляют изменением напряжения на отражателе, так как  ток в цепи отражателя равен нулю и управление частотой генерации  происходит без затрат мощности.

     Диапазон  электронной перестройки частоты  у отражательных клистронов обычно не превышает 0,5% от среднего значения частоты.

     Также возможна механическая перестройка  частоты. Она осуществляется путём  изменения добротности резонатора. Различают два вида механической перестройки: индуктивную и емкостную. Первая осуществляется посредством  настроечных винтов и поршней. Вторая имеет место, когда вторая сетка  резонатора посажена на упругую мембрану, воздействуя на которую, можно изменять зазор между сетками резонатора. Диапазон механической перестройки  составляет примерно 25 % от средней частоты, что значительно больше диапазона электронной перестройки. Но при этом скорость перестройки невелика. 

Область применения 

     Пролётные клистроны являются основой всех мощных СВЧ передатчиков когерентных радиосистем, где реализуется стабильность и спектральная чистота высокостабильных водородных стандартов частоты. В частности, в выходных каскадах самых мощных в мире радиолокаторов для исследования астероидов и комет (радиолокационные телескопы, планетные и астероидные радары), которые расположены в обсерваториях Аресибо(Пуэрто Рико), Голдстоуне (Калифорния) и Евпатории (Крым), используются именно пролетные клистроны с водяным охлаждением.

     Отражательные клистроны применяются в различной  аппаратуре в качестве маломощных генераторов. Вследствие низкого КПД их не используют для получения больших мощностей  и применяют в качестве гетеродинов СВЧ приемников, в измерительной аппаратуре и в маломощных передатчиках. Их основные преимущества заключаются в конструктивной простоте и наличии электронной перестройки частоты. Отражательные клистроны имеют высокую надежность и не требуют применения фокусирующей системы.

     В настоящее время, в тех местах, где не требуется высокая радиационная устойчивость, генераторы на отражательных  клистронах вытесняются полупроводниковыми генераторами СВЧ. 

Оротрон 

      Оротрон – электровакуумный прибор в котором в результате взаимодействия электронного луча с периодической структурой открытого резонатора возбуждаются электромагнитные волны. О. применяют в качестве генератора миллиметровых и субмиллиметровых волн, главным образом в радиоспектроскопии для физических и биологических исследований. Предложен советскими физиками Ф. С. Русиным и Г. Д. Богомоловым в 1965. Представляет собой открытый резонатор, одно из зеркал которого имеет периодическую структуру. Электронный поток находится в фокусирующем магнитном поле, направленном параллельно движению электронов. Длина генерируемых волн λ определяется скоростью электронов v и периодом структуры d (λ = d ․v /c, где с — скорость света), а также расстоянием а между зеркалами резонатора (λ ≈ 2a /m, где m — число полуволн, укладывающихся между зеркалами) Вывод электромагнитных волн из оротрона. осуществляется либо через радиоволновод, либо непосредственно излучением в свободное пространство. В последнем случае зеркало, противоположное зеркалу с периодической структурой, должно быть слабо прозрачным для генерируемых волн. Перестройка частоты осуществляется в полосе, превышающей октаву, — либо непрерывно (одновременным изменением напряжения, ускоряющего электроны, и перемещением одного из зеркал, т. е. изменением расстояния a), либо дискретно (при этом изменяется m). оротрон. генерирует волны с высокой стабильностью частоты (мощность на выходе Оротрон 10вт при кпд Оротрон 1%). 

Рис 1.9. Схема конструкции оротрона: 1 – зеркало с периодической структурой; 2 – электронный поток; 3 – радиоволновод; 4 — зеркало; а — расстояние между зеркалами; d — период структуры.

 

ВЫВОД 

      Мы  достигли своей цели, рассмотрели  электровакуумные приборы, работающие на больших мощностях. Узнали принцип  их работы, параметры, КПД и область  приминения. В силу своей способностью работать на больших мощностях и  выдерживать многочисленные нагрузки, вакуумные приборы превосходят  полупроводниковые устройства. Этот диапазон излучения остается за лампами, и значит целесообразно всячески стараться повышать их производительность, пока не найдутся достойные аналоги  устройств.

 

Список  используемой литературы 

1. Червяков Г.Г, Горбина Л.А. Микроволновая электроника.Таганрог :  Изд-во   ТТИ   ЮФУ, 2009. – 169  с.

2. 1. Р.А. Валитов, С.Ф. Дюбко, В.В. Камышан, В.М. Кузьмичев, Б.И. Макаренко, А.В. Соколов, В.П. Шейко «Техника субмиллиметровых волн» Под редакцией профессора Р.А. Валитова М. «Сов. Радио» 1869г., 480 с.

3. Лебедев И.  В., Техника и приборы СВЧ, 2 изд., т. 2, М., 1972

4. Интернет ресурс http://dic.academic.ru Русин Ф. С., Богомолов Г. Д., Оротрон как генератор миллиметрового диапазона, в сборнике: Электроника больших мощностей, в. 5, М., 1968