Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Разработаны СВЧ транзисторы, однако их рабочаячастота, по-видимому, не превысит 15 ГГц. Весьма перспективно применение генераторови других схем СВЧ на основе лавинно-пролетного диода и приборов Ганна. Это позволитпостепенно заменить маломощные электронные приборы СВЧ полупроводниковымиприборами. Мощность полупроводниковых приборов в непрерывном режиме и диапазоних рабочих частот представлены на рисунке заштрихованной областью (сравнениеразличных типов полупроводниковых приборов произведено на рис. 10.1).Развитие электроники СВЧ идет по двум направлениям. Первое направление —дальнейшее усовершенствование рассмотренных типов приборов или создание на ихоснове комбинированных («гибридных») приборов.В гибридных приборах возможно объединение достоинств приборов разного типа.Второе направление—разработка приборов на основе новых принципов усиления игенерирования колебаний СВЧ, особенно в миллиметровом и субмиллиметровомдиапазонах волн. Теоретически и экспериментально изучают приборы, использующиевзаимодействие электронного потока и плазмы; взаимодействие электронного потока сдифракционными решетками; параметрическое взаимодействие электронного потока сСВЧ-полем; явление циклотронного резонанса в электронном потоке, находящемся вмагнитном поле; физические эффекты в полупроводниках и т.
п.В настоящее время становится важной проблема миниатюризации и повышениянадежности электронных приборов СВЧ. Бурное развитие полупроводниковойэлектроники СВЧ способствует решению этой проблемы. Однако важным является исоздание миниатюрных и высоконадежных электровакуумных приборов СВЧ.Квантовые приборы СВЧ и оптического диапазона, рассматриваемые во второй частикниги, основаны на использовании вынужденного излучения.Гипотеза о существовании вынужденного электромагнитного излучения былавысказана А. Эйнштейном в 1917 г. Однако только в 1940 г. В. А. Фабрикантом былисформулированы условия для экспериментального обнаружения вынужденного излученияв газовом разряде. В 1951 г.
В. А. Фабрикант, М. М. Вудынский и Ф. А. Бутаева получилиавторское свидетельство на способ усиления электромагнитного излучения. В 1953—1954гг. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и независимо в США Дж. Вебер, Дж. Гордон, X. Цайгер и3Ч. Таунс получили генерацию в сантиметровом диапазоне волн при использованииэнергетических уровней молекул аммиака.
В 1957 г. были созданы квантовыепарамагнитные усилители СВЧ. Квантовые приборы для генерации и усиления колебанийСВЧ, основанные на использовании вынужденного излучения, иногда называютмазерами*.В 1958 г. в США Ч. Таунс и А. Шавлов, а в СССР А. М. Прохоров показаливозможность использования вынужденного излучения для создания оптическихквантовых генераторов, названных лазерами **.
Уже в 1960 г. были созданы лазеры накристалле рубина и на смеси газов гелия и неона.В 1959 г. Н. Г. Басову и А. М. Прохорову была присуждена Ленинская премия заразработку нового принципа генерации и усиления колебаний СВЧ, созданиемолекулярных генераторов и усилителей, а в 1964 г. этим ученым совместно с Ч. Таунсом(США) присуждена Нобелевская премия по физике за исследования по квантовойэлектронике.В последние годы в квантовой электронике нашли широкое применениеполупроводники. Примером может служить полупроводниковый лазер, основанный наиспользовании электронно-дырочного перехода и созданный в СССР полупроводниковыйлазер с электронным возбуждением.________________* Термин мазер (maser) образован из начальных букв английских слов в фразе«microwave amplification by stimulated emission of radiation», переводимой как «усилениемикроволн (СВЧ) с помощью вынужденного излучения».** Термин лазер образован заменой буквы «м» в слове мазер на «л»—начальную буквуанглийского слова light (свет).4Часть перваяЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СВЧРаздел первыйЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ СВЧГ л а в а 1 ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ СВЧ§ 1.1.
Полный ток в промежутке между электродамиПолный ток в цепи равен сумме тока проводимости и тока смещения:i полн = i пров + i см(l.1)Ток проводимости зависит от числа носителей заряда, проходящих через сечение в 1 с,т. е. этот ток связан непосредственно с переносом (конвекцией) заряда. Поэтому вместотермина «ток проводимости» при рассмотрении электронных приборов СВЧ применяюттермин «конвекционный ток».
С учетом этого замечанияi полн = i конв + i см(1.2)Плотность конвекционного тока определяется формулой(1.3)j конв = ρvгде ρ —объемная плотность зарядов; v—скорость зарядов. Плотность тока смещения поопределению∂Е(1.4)j см = ε 0∂tгде ε 0 —диэлектрическая проницаемость вакуума; Е—напряженность электрического поляв рассматриваемой точке.Если распределение зарядов по сечению S равномерное, то можно написатьi конв = j конв S ;i см = j см S .(1.5)В общем случае токи i конв и i см зависят от координаты z и времени t: i конв ( z , t ) ; i см ( z , t ) .Но полный ток в цепи остается одинаковым, т.
е. может быть только функцией времениi полн (t ) .Проинтегрируем выражение (1.2) по координате z в пределах промежутка и разделимобе части равенства на интервал интегрирования d, тогдаddd111iполн (t )dz = ∫ iконв ( z , t )dz + ∫ iсм ( z , t )dz∫d0d0d0(1.6)Полный ток не зависит от координаты, поэтому i полн (t ) может быть вынесен за знакинтеграла и(1.7)Первое слагаемое в правой части равенства (1.6) есть среднее значениеконвекционного тока в промежутке в момент времени t, т. е.5(1.8)Преобразуем теперь второе слагаемое равенства (1.6), используя (1.4) и (1.5):(1.9)По известной теореме математикиdd∂E ( z , t )∂∫0 ∂t dz = ∂t ∫0 E ( z, t )dz.(1.10)Выражение под интегралом (1.10) есть приращение потенциала du на длине dz/du=E(z,t)dz,а интеграл по всему промежутку равен разности потенциалов u(t) между электродами врассматриваемый момент времени, т.
е. вместо выражения (1.10) можно записать(1.11)Заметим, что разность потенциалов зависит только от времени, поэтому не имеет смыслаоставлять символ частной производной. Коэффициент перед интегралом в правой частиравенства (1.9) — емкость конденсатора, образованного электродами, если поле впромежутке однородное:С=ε0S(1.12)dИспользуя выражения (1.7)—(1.9), (1.11) и (1.12), перепишем выражение (1.6) в видеdu (t ).(1.13)iполн (t ) = iконв.ср (t ) + CdtВторое слагаемое в правой части равенства есть емкостной токi емк (t ) = Cdu (t )dt(1.14)Поэтому вместо выражения (1.13) можно записатьi полн (t ) = i конв.ср (t ) + i емк (t )(1.15)В выражении (1.2) полный ток представлен как сумма конвекционного тока и токасмещения, а в (1.15)—как сумма среднего значения конвекционного тока в промежутке иемкостного тока.Компонент полного тока, равный в промежутке среднему значению конвекционноготока, назвали наведенным током.
Поэтому с учетом выражения (1.8)d1iнав (t ) = iконв.ср (t ) = ∫ iконв ( z , t )dz ,d0а вместо выражения (1.15) можно записать(1.16)6i полн (t ) = i нав (t ) + i емк (t )(1.17)Поясним физический смысл наведенного тока.Известно, что заряд, находящийся вблизи металлической поверхности, наводит на нейравный по величине заряд противоположного знака(явлениеэлектростатическойиндукции).Соответственно электронный слой с зарядом —q (рис.1.1) наводит на электроде 1 положительный заряд q1 , ана электроде 2—положительный заряд q 2 , так чтоq = q1 + q 2 .
При движении слоя от электрода 1 кэлектроду 2 напряженность поля E1 слева от слояпадает, a E 2 справа от слоя растет. Соответственнонаведенный заряд q1 уменьшается, а наведенный зарядq 2 увеличивается. Изменение во времени q1 и q 2 ,связанное с движением слоя, вызывает появление вовнешней цепи наведенного тока, направленного от электрода 1 к электроду 2. Теорияприводит к формуле для наведенного тока, совпадающей с формулой (1.16). Наведенныйток можно рассматривать как уравнительный ток, который обеспечиваетперераспределение зарядов q1 и q 2 при движений электронов в зазоре междуэлектродами так, чтобы сохранялось равенство q1 + q 2 = q .Принципиально важно то, что наведенный ток не связан с прямым поступлениемэлектронов на электроды и существует только в течение времени пролета электронов впромежутке между электродами.
В статическом режиме конвекционный ток во всехсечениях промежутка одинаков (i конв ( z , t ) = I 0 ) , поэтому по формуле (1.16) i нав (t ) = I 0 .Таким образом, в статическом режиме наведенный ток точно совпадает с конвекционнымтоком, определенным как заряд, приходящий на электрод 2 за 1 с. В квазистатическомрежиме, когда период переменного напряжения между электродами значительно большевремени пролета электронов, конвекционный ток можно считать приблизительноодинаковым во всех сечениях для данного момента времени t и равнымi конв ( z, t ) ≈ I 0 sin wt .
Эта медленно меняющаяся величина может быть вынесена за знакинтеграла (1.16), и поэтому наведенный ток будет практически совпадать сконвекционным током в тот же момент времени. На высоких частотах, когда периодсравним со временем пролета электронов, необходимо пользоваться общей формулой(1.16).7§ 1.2. Сеточные лампы СВЧ в режиме малых амплитудДля рассмотрения особенностей работы сеточных ламп воспользуемся результатами,полученными в § 1.1.Промежутки между электродами лампы (рис. 1.2) можно уподобить диоднымпромежуткам. Для каждого из них можно найтисреднее значение конвекционного тока, зависящее от времени пролета электронов в этомпромежутке. Отличие от диода состоит в том, что начальная скорость электронов вкаждом промежутке (кроме промежутка катод—управляющая сетка) не равна нулю.Время пролета в промежутках вследствие ускорения неодинаково: наибольшее в первом,наименьшее в последнем (у анода).
Конвекционные токи промежутков с увеличением ихномера все больше отстают от напряжения, поэтому средние значения конвекционныхтоков промежутков изображают веером векторов (рис. 1.3). Наведенный ток анода Iа.навравен среднему конвекционному току промежутка IV ( I конв.срIV ) . Наведенный ток катодаIс.нав есть средний конвекционный ток промежутка I катод—управляющая сетка.Наведенные токи сеток будем изображать векторами, соединяющими вектора среднихконвекционных токов соседних промежутков.Рис. 1.38На векторной диаграмме Iа.нав отстает по фазе от переменного напряженияуправляющей, сетки, а наведенный ток управляющей сетки I с1.нав опережает его. Поэтомувлияние времени пролета проявляется в увеличении емкости. Увеличение входной4емкости по сравнению с холодной лампой составляет примерно 30% ( С вх (ω ) ≈ C вх ).3С увеличением частоты углы пролета во всех промежутках возрастают, следовательно,становятся большими углы между векторами на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
