Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Очевидно, наиболее благоприятноеначальное положение электронов соответствует линии hh', наиболее неблагоприятное —gg'.Увеличение и уменьшение радиуса спирали во времени происходит поэкспоненциальному закону, однако для него прирост величины всегда больше убыли притом же изменении показателя. Поэтому при равновероятном распределении электронов вовходном сечении далее в среднем происходит увеличение энергии поперечных колебанийна частоте сигнала.Электроны, двигаясь в выходном резонаторе, создают наведенный ток, теряютполученную ранее в квадрупольном конденсаторе энергию и двигаются посворачивающейся спирали. Выходная мощность равна энергии, отдаваемой на частоте ωэлектронным потоком.Если частота сигнала ω несколько отличается от ωн/2, то сечение электронного потока,вращаясь в плоскости рис.
9.2, попадает периодически то в условия максимальногоусиления, то в условия максимального затухания. Однако в среднем выходной сигналбудет больше входного сигнала по указанной выше причине. Следует отметить, что вэтом случае выходной сигнал имеет характер биений двух колебаний; с частотой сигналаω и разностной частотой ωн—ω.Ширина полосы определяется только входным и выходным устройствами и составляет40—50 МГц на частоте до 1000 МГц. Коэффициент усиления зависит от мощностигенератора накачки и достигает 20 дБ. Теория и эксперимент показывают, что усилительимеет очень низкий уровень шума, в лучших экземплярах коэффициент шума непревышает 1 дБ, что соответствует эффективной шумовой температуре около 50 К.
Поэтому параметру усилитель сравним с лучшими малошумящими ЛБВ.Важным преимуществом квадрупольных усилителей является низкое, как утранзисторов, постоянное напряжение. Усилители однонаправлены и не требуютприменения ферритовых вентилей. Кроме того, они не боятся перегрузки: при большомвходном сигнале электроны попадают на электроды входного резонатора, вызывая лишьпоявление режима насыщения.119Квадрупольные усилители весьма перспективны, так как имеют преимущества переддругими приборами, в частности перед полупроводниковыми параметрическимиусилителями, а по уровню шумов и перед транзисторами.В заключение следует отметить, что возможно также параметрическое усилениециклотронных волн в лучевых приборах со скрещенными полями.§ 9.2. Приборы с циклотронным резонансомВ этих приборах, в разработку которых внесли большой вклад советские ученые А.
В.Гапонов и др., используется криволинейное движение электронов в однородноммагнитном поле.Схема прибора с циклотронным резонансом показана на рис. 9.3. Катод прибора имеетконическую форму, а эмиттирующая часть его выполнена в виде кольца. Магнитное полеВ направлено вдоль оси катода. Электроны, вылетающие с эмиттирующего кольца врезультате совместного действия поля ускоряющего электрода и продольного магнитногополя В, движутся по спиральным траекториям и входят в резонатор или линию передачи.В случае равенства частоты электромагнитного поля врезонатореωициклотроннойчастотыωцвзаимодействие поля и электронов может приводить кгруппированию электронов в сгустки, которые, в своюочередь, будут передавать энергию резонатору.Условием такого взаимодействия является равенствофазовой скорости одной из циклотронных волн потока ифазовой скорости волны в линии передачи. Это условиеи определяет режим работы, называемый циклотроннымРис.
9.3резонансом.В системе координат, которая движется со скоростью электронов, электронывращаются по окружности с циклотронной частотой ωц. Если волна в линии передачиправополяризованная, то сгустки образуются в ускоряющем поле волны (рис. 9.4,а). Вслучае левополяризованной волны сгустки образуются в тормозящем поле (рис. 9.4,б).Образовавшиеся сгустки неподвижны относительно волны, хотя продольная скоростьэлектронов в потоке отлична от фазовой скорости волны. Взаимодействие электронов справополяризованной волной в линии передачи соответствует синхронизму этой волны сбыстрой циклотронной волной, а взаимодействие с левополяризованной волной—синхронизму с медленной циклотронной волной.
В последнем случае вследствиевзаимодействия сгустков с тормозящим полем волны в линии передачи возможноусиление или генерирование колебаний.Приборы с циклотронным резонансом еще не нашли широкого применения, так как дляих создания требуются большие магнитные поля, особенно в диапазоне миллиметровых исубмиллиметровых волн.В сантиметровом и миллиметровом диапазоне волн удаетсяРис.
9.4120получать в непрерывном режиме мощность в несколько киловатт. Это позволяетутверждать, что приборы с циклотронным резонансом имеют большое будущее.§ 9.3. Приборы с дифракционным излучениемПринцип работы этих приборов основан на использовании дифракционного излучения,возникающего при прохождении электронного потока над периодической дифракционнойрешеткой. Наиболее весомый вклад в развитие этого направления внесли советскиеученые*.Схема генератора дифракционного излучения (ГДИ) показана на рис.
9.5. Наповерхности нижнего зеркала находится дифракционная решетка, над которойпропускается ленточный электронный поток, фокусируемый продольным магнитнымполем. Верхнее зеркало полусферическое. Оба зеркала образуют открытый резонатор.Вывод энергии из резонатора производится через волновод.ГДИ—прибор с длительным взаимодействием, похож на лампу обратной волны, но егосущественное отличие от других приборов с длительным взаимодействием состоит виспользовании высокодобротного открытого резонатора, как в оптических квантовыхгенераторах (см. § 15.1). В ГДИ, как и в ЛОВ, происходит взаимодействие электронов сСВЧ-полем периодической структуры (замедляющей системы), т. е.
взаимодействие смедленными пространственными волнами (пространственными гармониками). В ЛОВпочти вся энергия СВЧ-поля сосредоточена вблизи замедляющей системы и очень быстроубывает при удалении от нее. Поле между зеркалами в ГДИ является суперпозициейповерхностных (медленных) волн вблизи решетки и объемных (быстрых) волн, уходящихРис.
9.5от решетки в объем резонатора. При этом, в отличие от ЛОВ, в ГДИ большая частьэнергии СВЧ-поля запасается в объеме открытого резонатора, между зеркалами, а не уповерхности дифракционной решетки.Электронный поток в ГДИ взаимодействует с поверхностными волнами,образующимися как в результате возбуждения поля движущимися вблизи решеткиэлектронами (подобно ЛОВ), так и в результате дифракции на решетке объемных волн,установившихся в открытом резонаторе.В ГДИ для обратной связи используются поля быстрых объемных волн, однаковзаимодействует электронный поток с медленными поверхностными гармониками полявблизи решетки, при этом, как в ЛОВ, требуется выполнить условие примерногосинхронизма, а для начала генерации ток пучка электронов должен превысить пусковойток.Применение полусферических открытых резонаторов с плоским зеркалом, частично*Шестопалов В.П.
Дифракционная электроника. Харьков, «Высшая школа», 1976, с. 231121покрытым дифракционной решеткой, позволило создать ГДИ миллиметрового диапазонадлин волн. При укорочении длины волны поле медленной пространственной гармоники, скоторой обеспечивается синхронизм электронного потока, все более прижимается кповерхности периодической структуры. Это уменьшает эффективную толщинуэлектронного потока, взаимодействующего с СВЧ-полем, и снижает мощность излученияГДИ. Кроме того, при сохранении прежнего ускоряющего напряжения необходимопропорционально длине волны уменьшать период решетки.Различные ГДИ работают в диапазоне длин волн λ=8—0,96 мм. В этих приборахприменяют дифракционные решетки с периодом L=0,8—0,l мм, выполненные в видепрямоугольных выступов с толщиной (0,5— 0,6)L и высотой 0,25λ.
Ускоряющеенапряжение 1—5 кВ, выходная мощность — от нескольких сот милливатт до десятковватт при увеличении тока пучка до 280 мА. Напряженность магнитного поля — несколькодесятых теслы. Перестройка частоты в одном приборе достигает октавы.В ГДИ имеется электронная перестройка частоты, однако из-за высокой добротностиоткрытого резонатора она значительно меньше, чем в ЛОВ. При нарушении синхронизмаизменением ускоряющего напряжения перестройка частоты составляет сотые долипроцента.
Для ГДИ четырехмиллиметрового диапазона диапазон электроннойперестройки составляет 10—20 МГц при снижении выходной мощности на 1 дБ. Крутизнаэлектронной перестройки на частотах 63 и 76 ГГц составляет 0,25 и 0,37 МГц/Всоответственно, что примерно в 30 раз меньше, чем у этих приборов, работающих врежиме ЛОВ.Изменение частоты в ГДИ производится перемещением вогнутого зеркала, т.
е.изменением собственной частоты открытого резонатора при неизменном ускоряющемнапряжении. Такая перестройка частоты вида колебаний в резонаторе достигает 1,5 ГГцпри колебаниях мощности в этом диапазоне до 10 дБ. При уменьшении расстояния междузеркалами можно найти области с перестройкой до 400 МГц с колебаниями мощности до3 дБ. Крутизна механической перестройки зависит от частоты и от расстояния междузеркалами и составляет 3—4 ГГц/мм при расстоянии между зеркалами около 25 мм.Проблема создания ГДИ субмиллиметрового диапазона волн связана с применениемдифракционных решеток малых геометрических размеров и, следовательно, с большимитехническими трудностями. Тем не менее имеется перспектива создания таких приборов.122Раздел второйПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЧ ПРИБОРЫПолупроводниковые СВЧ-приборы можно разделить на диоды и транзисторы.По типу структуры и технологическим особенностям изготовления диодов ихподразделяют на диоды с р—п-переходом; с контактом металл—полупроводник (диоды сбарьером Шоттки); со структурой металл—окисел—полупроводник (МОП-диоды) илиметалл — диэлектрик — полупроводник (МДП-диоды); со структурой типа р—i—п;диоды с накоплением заряда (ДНЗ); туннельные и обращенные диоды; лавиннопролетныедиоды(ЛПД);приборысобъемнойнеустойчивостью заряда (диоды Ганна).Применение различных типов диодов связано сиспользованием особенностей: униполярной проводимости,нелинейного сопротивления (варисторы), нелинейнойемкости (варикапы), управляемого импеданса (р—i—n-диод),отрицательногодифференциальногосопротивления(туннельный диод, лавинно-пролетный диод, диод Ганна),электроакустического эффекта и др.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
