Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979)

Н.Д.ФедоровЭлектронныеи квантовыеприборы СВЧИЗДАНИЕ ВТОРОЕ,ПЕРЕРАРАБОТАННОЕИ ДОПОЛНЕННОЕДопущено Министерством высшего исреднего специального образованияСССР в качестве учебного пособиядля студентов радиотехническихспециальностей вузовМОСКВА АТОМИЗДАТ 1979УДК 621.385.6+621.375.8(075.8)Ф е д о р о в Н. Д. Электронные и квантовыеприборы СВЧ : Учебник для вузов .— Изд.2-е, перераб. и доп. — М.: Атомиздат, 1979,—с.288.В учебнике изложены физические основыэлектронных СВЧ-приборов и квантовых приборовСВЧ и оптического диапазона.

Рассмотреныпринципы действия, основные характеристики ипараметрыпролетныхиотражательныхклистронов, ламп с бегущей и обратной волной,приборов магнетронного типа, полупроводниковыхСВЧ-приборов,квантовыхпарамагнитныхусилителей (мазеров), квантовых стандартовчастоты и лазеров.Учебникпредназначендлястудентоврадиотехнических специальностей вузов.Рис. 200.

Табл. 12. Список литературы 27наименованийОГЛАВЛЕНИЕ1ВведениеЧАСТЬ ПЕРВАЯ.Раздел первый.Глава 1.§1.1.§1.2.§1.3.§1.4.ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СВЧЭлектровакуумные приборы СВЧЭлектронные лампы СВЧПолный ток в промежутке между электродамиСеточные лампы СВЧ в режиме малых амплитудСеточные лампы СВЧ в режиме больших амплитудОсобенности устройства и примененияГлава 2.Пролетные клистроны§2.1. Принципработыдвухрезонаторногоусилительногопролетного клистрона§2.2. Модуляция электронного потока по скорости§2.3.

Группирование электронов§2.4. Отбор энергии от модулированного по плотностиэлектронного потока444479111313161925§2.5. Параметры и характеристики двухрезонаторного пролетногоклистрона§2.6. Принцип работы многорезонаторного пролетного клистрона§2.7. Параметры и характеристики многорезонаторного клистрона§2.8. Особенности устройства и параметры усилительныхпролетных клистроновГлава 3.§3.1.§3.2.§3.3.§3.4.§3.5.§3.6.ЛОВО)§4.1. Принцип работы приборов типа О с длительнымвзаимодействием§4.2.

Замедляющие системы§4.3. Элементы линейной теории ЛБВО§4.4. Параметры и характеристики ЛБВО§4.5. Особенности устройства и применения ЛБВО§4.6. Принцип работы усилительной ЛОВО§4.7. Принцип работы генераторной ЛОВО§4.8. Параметры и характеристики генераторной ЛОВО§4.9. Особенности устройства и применения ЛОВОГлава 5. Физические основы приборов типа М§5.1. Движение электронов в скрещенных электрическом имагнитном полях в статическом режиме§5.2. Движение электронов в скрещенных электрическом имагнитном полях при наличии СВЧ-поля§5.3.

Энергетические особенности взаимодействия СВЧ-поля иэлектронов в приборах типа МГлава 6. Лампы бегущей и обратной волны типа М (ЛБВМ иГлава 7.§7.1.§7.2.§7.3.§7.4.37отражательныхГлава 4. Лампы бегущей и обратной волны типа О (ЛБВО и§6.1.§6.2.§6.3.§6.4.3234393942444850Отражательный клистронПринцип работыГруппирование электроновБаланс фаз и мощностейМощность и электронный КПДЭлектронная перестройка частотыОсобенности устройства и параметрыклистронов29525454586467737577788081818589ЛОВМ)90Принцип работы ЛБВМПараметры и характеристики ЛБВМПринцип работы ЛОВМПараметры и характеристики генераторной ЛОВМ90939697Многорезонаторный магнетронСтатический режим работы магнетронаСвойства колебательной системы магнетронаДинамический режим работы магнетронаСтабилизация рабочего вида колебаний9898100102106§7.5.

Параметры и характеристики многорезонаторного магнетрона§7.6. Особенности устройства и применения многорезонаторныхмагнетронов108110112112Глава 8. Платинотрон (амплитрон и стабилотрон)§8.1. Принцип работы амплитрона§8.2. Параметры и характеристикиамплитрона§8.3. Принцип работы стабилотрона114116Глава 9. Электронныеприборы со специальными видами117взаимодействия§9.1. Приборы с параметрическим усилением в электронном потоке§9.2. Приборы с циклотронным резонансомсдифракционным§9.3. ПриборыизлучениемРаздел второй.Глава 10.§10.1.§10.2.§10.3.§10.4.117119120Полупроводниковые СВЧ-приборы122Лавинно-пролетные диоды (ЛПД)122123126135Лавинное умножение носителейПролетный режим работы ЛПДРежим работы ЛПД с захваченной плазмойПараметры и характеристики генераторов и усилителей наЛПД в пролетном режиме137§10.5.

Особенности устройства и применения ЛПД141Глава 11. Полупроводниковыеприборынеустойчивостью (диоды Ганна)собъемной§11.1. Виды неустойчивости объемного заряда§11.2. Доменные режимы работы генераторов на диодах Ганна§11.3. Режим ограниченного накопления объемного зарядагибридные режимы§11.4. Особенности устройства и применения диодов ГаннаЧАСТЬ ВТОРАЯ.143153и159161КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ И ОПТИЧЕСКОГО163ДИАПАЗОНАГлава 12.

Физические основы квантовых§12.1.§12.2.§12.3.§12.4.143приборов163Квантовые переходыШирина спектральной линииВозможность усиления и генерации в квантовых системахМетод накачки вспомогательным излучением164168172180Глава 13. Квантовые парамагнитные усилители СВЧ (КПУ)§13.1. Энергетические уровни парамагнитных веществ§13.2. Получение инверсии населенности в парамагнитном веществе186186187§13.3.

Разновидности КПУ и их параметры§13.4. Особенности устройства и применения КПУГлава 14.§14.1.§14.2.§14.3.Квантовые стандарты частоты (КСЧ)Глава 15.§15.1.§15.2.§15.3.§15.4.Лазеры§15.5.§15.6.§15.7.§15.8.§15.9.Требования, предъявляемые к КСЧПассивные квантовые стандарты частотыАктивные квантовые стандарты частоты189193195195196199201201205210Оптические резонаторыУсловия самовозбуждения и мощность лазераСпектр излучения лазераКогерентность,монохроматичностьинаправленностьлазерного излучения214Газовые лазеры216Твердотельные лазеры223Полупроводниковые лазеры227Жидкостные лазеры232Применение лазеров233Основные обозначенияСписок рекомендуемой литературыПредметный указатель2372392411ВВЕДЕНИЕСверхвысокочастотными колебаниями (СВЧ) называют колебания с частотой f>300МГц или длиной волны λ <1 м.Принято следующее деление на диапазоны по длине волны и частоте:дециметровые волны 1 м—10 см (300—3000 МГц)сантиметровые волны 10 см — 1 см (3—30 ГГц)миллиметровые волны 1 см — 1 мм (30—300 ГГц)субмиллиметровые волны 1 мм—0,1 мм (300—3000 ГГц)К субмиллиметровым волнам примыкает диапазон оптических волн (инфракрасное,видимое и ультрафиолетовое излучения).В первой части книги рассмотрены электронные приборы СВЧ.

Любое электронноеустройство для усиления или генерирования колебаний является преобразователемэнергии постоянного тока в энергию колебаний при помощи электронного потока.В обычных ламповых усилителях и генераторах, предназначенных для сравнительнонизких частот, используется электростатическое управление электронным потоком. Наэтих частотах время пролета электронов между электродами лампы много меньшепериода колебаний и влиянием времени пролета можно пренебречь. Распределениепеременного электрического поля в лампе в течение времени пролета рассматриваемогоэлектрона остается неизменным.

Переменное напряжение на управляющем электроделампы вызывает синфазное изменение плотности электронного потока (отсутствиеинерционности).На СВЧ время пролета электронов между электродами становится сравнимым спериодом усиливаемых или генерируемых колебаний. За время пролета переменноенапряжение на электродах успевает заметно измениться. Это приводит к ослаблениюэффекта изменения (модуляции) плотности электронного потока, резкому падениюполезной мощности, коэффициента усиления и КПД. Кроме того, на СВЧ длина волныстановится сравнимой с размерами электродов и их выводов, т. е. лампу необходиморассматривать как систему с распределенными параметрами. При этом электродыстановятся «антеннами» и возможна значительная потеря энергии колебаний из-заизлучения.

На СВЧ очень сильно проявляется влияние индуктивностей выводов имеждуэлектродных емкостей и потерь в материале электродов, баллоне и изоляторах.Последние факторы снижают коэффициент усиления, полезную мощность и КПДэлектронных ламп при повышении частоты.Параллельно с усовершенствованием электронных ламп были разработаныспециальные электронные приборы, основанные на использовании времени пролетаэлектронов (клистроны, лампы бегущей волны, магнетроны и др.). В некоторых приборахмощность колебаний составляет несколько киловатт в непрерывном режиме, а КПД—60—80%.

Создание новых приборов СВЧ стало возможным врезультате использования метода динамического управленияэлектронным потоком, идея которого была высказана в 1932 г.советским ученым Д. А. Рожанским.Особенности динамического управления электроннымпотоком состоят в модуляции электронов по скорости,превращении модуляции по скорости в модуляцию по плотностии в передаче энергии колебаний от модулированного по плотности потока колебательной системе, При этом время пролетаимеет решающее значение, так как только в процессе движенияэлектронов происходит их группирование.Электронные приборы СВЧ по характеру энергообмена2между электронным потоком и колебательной системой (или полем) подразделяются наприборы типа О и типа М.В приборах типа О происходит преобразование кинетической энергии электронов вэнергию СВЧ-поля в результате торможения электронов этим полем.

Магнитное поле илине используется совсем, или применяется только для фокусировки электронного потока ипринципиального значения для процесса энергообмена не имеет.В приборах типа М в энергию СВЧ-поля переходит потенциальная энергия электронов.Электронные приборы СВЧ по продолжительности взаимодействия с СВЧ-полемподразделяются на приборы с кратковременным (прерывным) и длительным(непрерывным) взаимодействием.

В первом случае используется взаимодействие электронов с СВЧ-полем резонаторов, а во втором — с бегущей волной.Приборы с кратковременным взаимодействием одновременно являются приборамитипа О (пролетные и отражательные клистроны). Приборы с длительнымвзаимодействием могут быть как типа О—лампа бегущей волны типа О (ЛБВО), лампаобратной волны типа О (ЛОВО), так и типа М—лампа бегущей волны типа М (ЛБВМ),лампа обратной волны типа М (ЛОВМ) магнетрон, платинотрон и др.На рисунке приведены значения мощности некоторых электронных приборов СВЧ,достигнутые на различных частотах в непрерывном (сплошные кривые) и в импульсном(пунктирныекривые)режимах.Сейчасособенноинтенсивноразвиваетсяполупроводниковая электроника СВЧ. Туннельные диоды уже давно применяются вразличных маломощных схемах СВЧ.