Лекция 1. Особенности электровакуумных приборов сверхвысоких частот

Электроника СВЧЛекция 1. Особенности электровакуумных приборов сверхвысокихчастотЭлектроника сверхвысоких частот, и в первую очередьэлектровакуумные приборы, всегда занимала отдельное место средимножества электронных приборов, выпускаемых отечественнойпромышленностью. Так в советское время в министерстве электроннойпромышленности предприятия, разрабатывающие и производящиеэлектровакуумные приборы СВЧ, относились к Первому главномууправлению. А недавно, слушая передачу «Арсенал» по радио «ЭхоМосквы», посвященную военной электроники, я услышал из устГенерального директора холдинга «Российская электроника» А. В. Зверева,что электроника бывает разная.

К ней относятся пассивная электроника,выпускающая элементы схем, такие как, резисторы, конденсаторы, разъемы,диоды и др.; микроэлектроника, а также электроника СВЧ, котораяответственна за передачу и прием сигнала. Такое выделение электронныхприборов СВЧ в отдельный класс говорит о важности роли, выполняемойэтими приборами, и спецификой диапазона, для которого онипредназначены.Одной из главных тенденций развития радиоэлектроники являетсяповышение частоты сигнала и увеличение мощности различных устройств.Это было вызвано необходимостью увеличения дальности действиярадиоаппаратуры, повышения ее разрешающей способности, увеличенияобъема передаваемой информации, повышение быстродействия аппаратурыи улучшение ее помехозащищенности и рядом других факторов.

В табл.1приведены частотные диапазоны электромагнитных волн, применяемых врадиотехнике:Табл.1Наименованиечастотного диапазонаГраницыдиапазонаНаименованияволнового диапазонаНизкие частоты, НЧ20 – 300 кГц Километровые, ДВ10 – 1 кмСредние частоты СЧ0,3 – 3 МГцГектометровые (СВ)1 – 0,1 кмВысокие частоты, ВЧ3 – 30 МГцДекаметровые (КВ)100 – 10 мОчень высокие частоты, 30 – 300 Мгц Метровые (УКВ)ОВЧУльтравысокиечастоты, УВЧ0,3 – 3 ГГцСверхвысокие частоты, 3 – 30 ГГцСВЧДециметровые (УКВ)Границыдиапазона10 – 1 м1 - 0,1 мСантиметровые (УКВ) 10 – 1 смКрайне высокиечастоты, КВЧ30 – 300 ГГц Миллиметровые (УКВ) 10 – 1 ммГипервысокие, ГВЧ300 – 3000ГГцДецимиллиметровые(ОВ)1 – 0,1 ммРадиоэлектронная аппаратура сверхвысоких частот из-за свойствраспространения электромагнитных волн этого диапазона, а такжевоздействия на материалы и живые ткани в настоящее время получила самоеширокое применение в различных областях науки и техники, а именно: ввоенной технике, гражданской авиации, для морского и речного судоходства,в промышленности, связи, медицине, научных исследованиях, бытовойтехнике.

В качестве примеров ниже приведены некоторые образцы военнойтехники, в которых одно из центральных мест занимает радиоэлектроннаяаппаратура СВЧ диапазона, выполняющая роль обнаружения, наведения изащиты (см. рис. 1 – 5). Ну, конечно, микроволновые печи, широкоиспользуемые в быту, известны всем.Во всех видах аппаратуры в качестве активных элементов, которыегенерируют и усиливают СВЧ колебания, до недавнего времени в основномиспользовались исключительно электровакуумные приборы, такие какклистроны, магнетроны, лампы бегущей волны и другие.

Однако следуетотметить, что в связи со значительными успехами в полупроводниковыхтехнологиях твердотельные приборы в последнее время в ряде случаяхвытесняют и заменяют электровакуумные приборы.В качестве примера приведен рис. 6, на котором показано длясравнения достигнутый уровень выходной мощности в зависимости отдиапазона частот для ЛБВ непрерывного действия и твердотельныхусилителей по данным на 2012 г.Рис.6. Достигнутый уровень значений выходной мощностиусилителями СВЧ непрерывного действия на базе ЛБВ и твердотельныхприборовВидно, что достигнутый ЛБВ уровень выходных мощностей насегодняшний день значительно превышает мощности, обеспечиваемыетвердотельными усилителями.

И если ТТУ сегодня могут соперничать с ЛБВна частотах до 10 ГГц, то на более высоких частотах ЛБВ остается внеконкуренции.Назначение отдельных поддиапазонов сверхвысоких частот и ихобозначение, применяемых в радиолокации и других областях, всоответствии с зарубежными источниками приведено в таблице 2:Табл.2Обозначение НазваниеподдиапазонаЧастота ДлинаГГцволныПрименениеСантиметровые волны, смLLong1–215 – 30SShot2–47,5 – 15 Управление воздушнымдвижением, метеорология,морские радарыCCompromis 4 – 8eXK8 – 12Наблюдение и контроль завоздушным пространством3,75 –7,5Метеорология, спутниковоевещание2,5 –3,75Управление оружием,наведение ракет, морскиерадары, погода,картографирование среднегоразрешенияUnder K12 – 18 2,5 –1,67Картографирование высокогоразрешения, спутниковаяальтиметрияKurz18 – 27 1,67 –1,11Используется ограничено из-засильного поглощения водянымпаром для обнаруженияоблаков и в полицейскихдорожных радарахAbove K27 – 40 1,11 –0,75Картографирование,управление воздушнымдвижением на короткихдистанциях, специальныерадары, управляющиедорожными фотокамерамиМиллиметровые волны, ммV40 – 75 7,5 – 4W75 –110Медицинская аппаратура,применяемая для диагностикии физиотерапии4,0 – 2,7 Сенсоры, высокоточныеисследования погодныхявлений, ядерная физикаШирокое применение диапазона сверхвысоких частот (СВЧ), начиная с20-х – 30-х годов, в радиолокации, связи и других областях науки и техникидало толчок в развитии электронных приборов, предназначенных для работыв этом диапазоне.

Электроника СВЧ возникла как развитие низкочастотнойрадиотехники по мере приближения в сторону все более высоких частот или,соответственно, коротких волн. В связи с этим первоначально для созданиярадиотехнических устройств использовались обычные электронные лампы, вкоторых в результате подачи переменного напряжения высокой частоты науправляющую сетку обеспечивалось управление током, проходящим черезлампу, и получение высокочастотного напряжения на аноде большейвеличины. На рис. 7 в качестве примера приведена упрощенная схемалинейного лампового усилителя.Рис.7. Схема простейшего электронного усилителя на триодеИсточник сигнала, имеющий внутреннее сопротивление=,развивает на входе усилителя напряжение .

Усиленное колебание снимаетсяс нагрузочного сопротивления н в виде напряжения н . Постоянноенапряжение(напряжение смещения) вводится в цепь сетки электроннойлампы для установления рабочей точки на линейном участке вольтампернойхарактеристики триода, а постоянное напряжениеявляется напряжениеманодной цепи лампы. В результате разность потенциалов между сеткой икатодом = −и между анодом и катодом =− н . Связь междувходным и выходным сигналами определяется анодным током лампы ,который в общем случае является нелинейной функцией и := ( , ).Таким образом, мы видим, что в обычных электронных лампахпроисходит управление величиной протекающего в ней тока.Однако вскоре выяснилось, что классические для низкочастотнойтехники методы создания электронных устройств оказались практическинеприемлемы на сверхвысоких частотах.

Специфические свойства диапазонаСВЧ определили ряд существенных обстоятельств, принципиальноотличающие электронику СВЧ от «обычной» (низкочастотной) электроники[1].Для ламп, работающих на сравнительно низких частотах, имеет местовыполнение двух принципиальных условий:≪ 1 (1.1)!где = = – волновое число, – характерный размер пространства"взаимодействия электронного устройства, # = 2% – круговая частотаколебаний, а & – длина волны;#'прол ≪ 1 (1.2)где 'прол – время пролета электрона через пространство взаимодействия.Первое условие означает, что переменные поля в лампе не должныпроявлять свои волновые свойства, т.е.

лампа должна быть элементом цеписо сосредоточенными параметрами. Второе же условие означает, что времяпролета электрона много меньше периода колебаний электромагнитногополя, т.е. электрон при движении в лампе не должен проявлять своейинерционности.В СВЧ электронике эти условия уже не выполняются, т.е.~1 и#'прол ~1, и, соответственно первым важным физическим фактором,характеризующим электронику СВЧ, является соизмеримость периодаколебаний со временем пролета электронов в приборе.

Поскольку в обычныхлампах это время составляет величину 10./ − 10.0 с, что соответствуетпериоду колебаний дециметрового диапазона, то в диапазоне сантиметровыхи миллиметровых длин волн время пролета может превышать периодколебаний на порядок и более. В результате такой электронный прибор наСВЧ перестает быть своеобразным «безынерционным реле», каким онявляется в низкочастотной электронике, что, в свою очередь, затрудняетдетектирование, усиление и генерирование колебаний, т.е. выполнять тефункции, которые обычно ими выполнялись на более низких частотах.Второе основное затруднение в электронике носит «схемный»характер.