нанса диода на резонансной частоте при низком уровне мощности. Б этом случае малое сопротивление диода с помощью отрезка линии fe=W4 трансформируется в большое сопротивление в месте соединения. Емкостным винтом устанавливается Ск так, чтобы наступил параллельный резонанс диода на рабочей частоте при высоком уровне мощности, что приведет к росту сопротивления диода, которое трансформируется в малое сопротивление в месте соединения.

Подобные конструкции диодных ограничителей обеспечивают в сантиметровом диапазоне затухание в режиме ограничения порядка 20 дБ. При необходимости увеличить затухание используют два последовательно включенных ограничителя.

Включение полупроводниковых элементов в прямоугольный волновод. Элементы типа pin-диодов включаются в волновод с помощью щтырей либо выступов, являющихся эквивалентными ин-дуктивностями, которые соединяются в линию последовательно с емкостью полупроводниковой структуры. Разновидностью включения pin-диода является использование в месте включения низко-омных Н-образных волноводов, что обеспечивает получение индуктивности порядка 0,12 нГн. Широкое распространение получил способ включения полупроводникового элемента в центре резонансной диафрагмы, что позволяет на резонансной частоте полностью скомпенсировать емкость pin-элемента.

Глава 8

Электронные приборы СВЧ

8.1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Электронные приборы СВЧ в радиоаппаратуре выполняют функции генераторов, усилителей, детекторов, умножителей частоты, смесителей СВЧ сигналов и др. При значительном увеличении частоты электрических колебаний электрические параметры и характеристики обычных электронных приборов (диодов, триодов, пентодов, транзисторов) существенно ухудшаются, что ограничивает применение этих приборов в высокочастотной области. Основные причины этих ухудшений следующие:

инерция электронов, определяющая их конечное время пролета и затрудняющая управление электронным потоком в приборе;

паразитные емкости и индуктивности элементов конструкций, влияющие на величины входных, проходных и выходных сопротивлений, и в итоге на максимальную частоту и полосу рабочих частот прибора;

увеличение потерь энергии в элементах конструкций за счет скин-эффекта и излучения, которые уменьшают коэффициент усиления и коэффициент полезного действия прибора.

Преодолевая возникающие затруднения, развитие электровакуумных приборов происходило, в основном, по пути разработки новых принципов и конструкций ламп, которые исключали причины частотных ограничений, имеющиеся в обычных лампах. Так были разработаны специфичные для диапазона СВЧ приборы, использующие эффекты конечного времени пролета электронов для непосредственной передачи энергии электронного пучка электромагнитному полю колебательной системы. Среди них: лампы бегущей волны (ЛБВ), лампы обратной волны (ЛОВ), клистроны, магнетроны и др. Электровакуумные приборы СВЧ подразделяются на две основные группы, различающиеся направлением и назначением постоянного магнитного поля. К первой группе так называемых приборов типа О относятся лампы, в которых электроны движутся вдоль линий статического электрического поля; магнитное поле или не используется совсем, или применяется только для фокусировки электронного потока и принципиального значения для процесса энергообмена не и.меет. Вторая группа ламп называется приборами типа М и отличается тем, что электроны движутся во взаимно-перпендикулярных (скрещенных) постоянных электрических и магнитных полях по сложным траекториям.

Новые исследования в области физикк полупроводников и развитие технологии способствовали созданию СВЧ транзисторов, варакторных диодов, туннельных и лавинно-пролетных диодов, что позволило создать в диапазоне СВЧ ряд конструкций транзисторных усилителей и генераторов, параметрических усилителей и генераторов, преобразователей частоты, переключателей, генераторов, использующих Эффект отрицательного сопротивления, и др.

8.2. ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ СВЧ

Принципы действия электровакуумных приборов СВЧ состоят в создании электронного пучка необходимой формы и плотности, в ускорении электронного пучка с целью приобретения необходимой энергии, в модуляции электронного пучка по плотности и в передаче энергии ускорен- HLr-.v-.i-lj .ного и модулированного по 1пл0тн0сти шучжа -*й i электронов колебательной системе [31-33].

Ускорение электронного пучка. Обратимся к рис. 8.1. Для ускорения электронов пучка 2 используются статические электрические поля, возникающие при приложении между катодом / и ускоряющим электродом 3 шапря-жения f/o источника постоянного тока. Это напряжение создает между электродами /-3 электрическое поле с 1на)пряженно)-стью £о= f/o/d. Если принять, заряд элек-

Рис. 8.1. Схема уоко-рвН1ия электронлого пуша:

1 - катод; 2 - электронный пучок; 3 - ускоряющий электрод

трона е, то это поле будет действовать на электрон с силой Fo= = е£о. Под действием этой силы электроны увеличивают свою скорость Ve, приобретая дополнительную кинетическую энергию:

то t V2 = (8.1)

где Шй - масса электрона.

Подставив в это уравнение значения Шо = 9,1Ь10- кг и е= = 1,6-10- Кл, найдем скорость электронов:

f, = 5.95.10si/f7;. (8.2)

Важным параметром ускоренных электронов, характеризующим влияние инерции электронов на работу прибора, является угол пролета 6, определяемый произведением 2я радиан на отношение времени пролета x=dlve между двумя электродами с расстоянием d к периоду колебаний Т и показывающий изменение фазы напряжения, приложенного между электродами, за время движения электрона между этими электродами. Пользуясь этим определением и уравнением (8.1), найдем

G = 2лт/Г = со dlv = со d/(5,95 1 ОУЩ) (8-3)

Модуляция электронного пучка по плотности осуществляется посредством модуляции скорости электронов с последующим или одновременным преобразованием модуляции по скорости в модуляцию по плотности.

Наиболее распространены два метода модуляции электронного пучка по плотности. Первый из йих основан на кратковременном взаимодействии электронов с СВЧ полем. Схема, поясняющая этот метод, показана на рис. 8.2. Ускоренный электронный пучок 1 входит в зазор 2 между двумя металлическими сетками. К зазору

! Per

О-

Elf I ez

Puc. 8.2. Модуляция электроияого пучка по плотности оцри кратжоврвмеННом

изаимодействии:

1 - электронный пучок; 2 - зазор модулирующего устройства; 3 - пространство группиро-

подводится высокочастотное напряжение, создающее переменное электрическое поле, составляющая вектора напряженности которого Ez в течение одной половины периода противоположна направлению вектора скорости электронов Vg, а в течение второй половины периода совпадает с ним. В соответствии с этим электроны, попавшие в зазор во время первого полупериода, ускоряются и увеличивают свою скорость, а во время второго полупериода, на-