Стр.302-376 (1152181), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Этот разряд имеет вид языка пламени (факела), горящего на острых металлических деталях в местах наибольшей концентрации электрического поля. Рассмотрим некоторые свойства дугового СВЧ разряда, представляющего наибольший практически~" интерес для приборов СВЧ Одной нз особенностей разряда является то, что для его поддержания тре. дуется очень небольшая напряженность электрического поля Опыт показывает, что для большинства газов напряженность горения разряда составляет от неснольннх сотен до нескольких десятков вольт на сантиметр Если рассчитать по (8 4) максимальную энергию, которую может приобрести свободный электрон в поле указанной напряженности, то оказывается, что эта энергия примерно на два порядка ниже энергии, необходимой для нонизации атома.
Это показывает трудность обьяснения механизма СВЧ разряда. Расчет характеристик СВЧ разрядов выходит за рамки данной книги 344 Эксперимент показывает, что зависимость напряженности зажигания СВЧ разряда от давления газа имеет минимум подобно кривым Пашена на постоянном токе [!) Такой же характер имеет зависимость напряженности горения СВЧ разряда от давления газа, показанная на рис 8.4 Оптимальное давление газа, при котором для поддержания разряда требуется наименьшая напряженность электрического поля, на волнах короче 1 и увеличивается с ростом частоты.
Со. ответствующий сдвиг кривых для трех различных частот представлен на рис. 8пй Так, например, в 10-см диапазоне оптимальное давление составляет для различных газов 2 — 7 тор; на волне 3 см это давление доходит уже до 10 — 20 тор. Для объяснения особенностей сверхвысокочастотных разрядов некоторые авторы использовали резонансные свойства электронно-ионной плазмы.
С этой гочки зрения поперечные или продольные волны, распространяющиеся в плазме, могут взаимодействовать с электронами и сообщать им необходимую энергию. Экспериментальные исследования в основном подтверждают роль волновых процессов в СВЧ разрядах, по крайней мере, при низких давлениях газа д. Собственные СВЧ колебания в влектронно-ионной плазме Представим однородную квазинейтральную плазму, созданную, например с помощью дугового разряда на постоянном токе при низком давлении газа. Предположим, что в результате случайной флуктуации некоторое количество электронов быстро сместилось относительно положения равновесия. Положительные ионы остались практически неподвижными, поэтому возник нескомпенсированный объемный заряд положительного и отрицательного зна. ков — своеобразный диполь. Кулоновская сила, возникающая в результате такого смещения, стремится возвратить сместившиеся электроны.
Таким образом, по своему характеру возвращающая сила аналогична упругой силе, действующей в любом лоеханнческом оспилляторе. Как известно из механики, существование упругой силы приводит к появлению Лискретных резонансных частот. Можно ожидать поэтому, что электронно-ионная плазма также обладает некоторой собственной резонансной частотой. Обозначим через г радиус-вектор, определяющий смещение рассматриваемых электронов относительно положения равновесия. Тогда плотность объемного ааряда, возникающего в результате смещения электронов, имеет положительный знак и равна (8.22) р = й!и (Фег) . Этот объемный заряд создает локальное поле с напряженностью Е, оп редел яемой из уравнения й!о (ео Е) = Р.
(8. 23) Подставляя (8.24) в (8.23), имеелп б!о (ео Š— Жег) = О. При выполнении условий го1 Е = О, го1 г = О последнее уравнение дает: д!е Е = — г. ео Таким образом, на сместившнеся электроны действует квазиупругая воз. вращающая сила, пропорциональная величине смещения. Уравнение движения электрона в локальном поле должно иметь вид й'г йог )уео т — = — еЕ; — + — г= О. (8 й(о йго тео Решение уравнения (8.25) описывает гармонические колебания электрона с частотой, в точности равной плазменной частоте юп. Г ч (3.26) 345 12 зок.
аэо Таким образом, величина ю„, встречавшаяся в 4 2.9 и в других разделах этой книги, имеет наглядный физический сл1ысл Электронно-ионная плазма ведет себя подобно иолебательному контуру с резонансной круговой частотой, равной ып Если перейти и частоте чп ып/2п и выражать концентрацию У в единицах на кубический сантиметр, то согласно (8.26) частота собственных колебаний «лектронио-нонной плазмы оказывается равной (8.27) чп 8980 Р Р (гц). Из (8.27) нетрудно вычислить, что прн реально достижимых концентрациях зарядов порядка 1Оь — 18ть см З эта резонансная частота лежит в диапазонах де.
циметровых, сантиметровых и даже миллиметровых волн Сам по себе факт существования квазиупругой связи и колебаний отдельных электронов с одной и той же частотой чп еще не может объяснить упорядоченного движения больших масс электронов и передачи колебательной энергии от плазмы зо внешнюю цепь Аналогичное положение встречается, как известно, в слу. чае триодов с положительной сеткой (см 2 2.6) Тем не менее, опыт показывает, что при определенных условиях плазма обладает пособностью к упорядоченным СВЧ колебаниям, частота которых очень близка к резонансной частоте чп Интересно отметить, что существование колебаний в плазме было обнаружено около 40 лет назад при исследованиях метода зондов*.
С тех пор неоднократно предпринимались попытки использовать это интересное свойство плазмы для создания плазменного генератора СВЧ а широким диапазоном электронной настройки Изменение частоты может быть получено путем управления источником постоянного тока за счет изменения концентрации электронов в плазме До сих пор работа в этом наяравлеиии не увенчалась полным успехом. Механизм возбуждения колебаний в плазме недостаточно ясен до настоящего времени, но установлена важная роль направленного пучка электронов, выходящих из катода и пронизывающих плазму.
Для объяснении работы плазменных генераторов СВЧ часто используют аналогии и работой клистронов и ламп бегущей волны й 82. ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ АНТЕННЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ. РЕЗОНАНСНЫЕ РАЗРЯДНИКИ а. Принципиальные схемы и режимы работы газоразрядных переключателей Разрядники, предназначаемые для работы в антенных переключателях (а. п ), — наиболее распространенные типы гаэоразрядных приборов СВЧ В этих приборах используются свойства самостоятельных разрядов в газе при сверхвысоких частотах Вместе о тем, по харантеру работы антенных переключателей большую роль в них играют и процессы, связанные с взаимодействием слабого СВЧ сигнала о электронно-ионной плазмой, созданной независимо от этого сигнала. Принципиальная схема ответвительного антенного переключателя с разрядником защиты приемника (р.
з. п.) и разрядником блокировки передатчика (р. б п.) показана на рис. 8.5, а. В этой схеме использовано последовательное включение р б п в основной тракт, соединяющий передатчик с антенной, и параллельное включение р з в Расстояние от точек абдо точек включения р з п., равное )м4, обеспечивает подключение передатчика к антенне и одновременное отключение приемника при прохождении мощного импульса передатчика, т е в режиме высокого уровня мощности Включение разрядника блокировки передатчика на расстоянии )ч2 от точек аб на рис 8 5, а необходимо для эффектна. ' Открытие колебаний в плазл~е связано с так называемым чпарадоксом Лэнгмюра», который заключается в аномальном рассеянии направленного пуч.
ка электронов, поступающих в плазму нз накаленного катода Максвелловское распределение электронов по скоростям устанавливается на расстоянии, ко. торое примерно в 1000 раз меньше, чем следует из расчета по кииегической теории. нна е йнте »на ,т за ного отключения »холодного» передатчика от высокочастотного тракта во время паузы между импульсами передатчика (режим низкого уровня мощности)». Для повышения качества защиты приемника используется схема а. п. с резонансными разрядниками, входящими в состав еысокодобротных полых резо.
нагорав, которые играют роль повышающих рево ~ансных трансформаторов. Вариант схемы переключателя с резонансными разрядниками защиты приемника и блокировки передатчика показан на рис. 8.5, б. Устройство высокодоброт. нога р. з п. с коаксиальными входом и выходом схематически изображено на рис. 8.6, а (роль вспомогательного электрода обсуждается в 6 8.2, б). рдп а йналогичпое устройство, но с одним эле- дередшге д ментом связи, имеет высокодобротный разрядник блокировки передатчика Л/7 Л/Е В режиме передачи в высокочастот- рзп ных промежутках обоих разрядников за- л»тле жигается СВЧ разряд, практическизаиорачивающий резонаторы Малое сопро- дриемнип тивление разряда трансформируется в еще более низкое сопротивление в точ- а) ках аг и де на рис.
8 5, б. Таким образом, в режиме передачи точки аг практичесии эакорочены, а в точках аб имеется праитически бесконечное шунтиру. рдп ющее сопротивление (следует вспомнить а трансформирующие свойства четверть- Пепе- волнового отрезка передающей линии). да„, д г Е Сигнал передатчика беэ существенных Л/7 Л/ потерь и отражений поступает в антенну. Что касается приемниха, го малое падение напряжения на разряднике при горении разряда трансформируется в еще более низкое напряжение в точиах жз Мощность, просачивающаяся в ю з приемник, оиазывается значительно меньше, чем в схеме с нерезонансными дриемния разрядниками, изображенной на рис 8.5, а. Е) В Режиме пРиема оба РезонатоРа рис. 8 5.
Вквявалентные схемы отимеют высокое сопРотивление, благода- ветвительного а п, с нерезонансяыми РЯ чемУ в точках вг на Рис. 8.5, б ос- (а) и резонансными (б) разрядниками нонной ТРакт оказываетсн РазоРванным защиты приемника и блокировки пеВходное сопротивление ветви передат- редатчика чика в точках аб также стремится к бесконечности и не влияет на прохождение слабого сигнала от антенны к приемнику. Весь принимаемый сигнал, эа вычетом <холодных» вносимых потерь в резонаторе р. в. п., поступает в приемник. Недостатком антенного переключателя с высокадобротными резонансными р р динками является его узкополосность. При изменении рабочей дливы волны йеобходимо производить механическую настройку обоих разрядников. П у в перестранваемых радиолокационных станциях применяются широкополосные разрядники, не требующие механичесиой настройки в полосе о д ш 6 — 10% от средней частоты.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
