Вакуумные электронные приборы СВЧ

Вакуумными электронными приборами ВЭП СВЧ называют вакуумные приборы, которые способны работать на частотах %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9> 300 МГц, которым соответствуют длины волн %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 <1 м.
ВЭП СВЧ предназначены для генерирования и обработки СВЧ-сигналов. Поскольку энергия сигналов Э связана с частотой %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 соотношением %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, то повышение частоты сопровождается увеличением энергии. Поэтому можно сказать, что ВЭП СВЧ генерируют и обрабатывают мощные электрические сигналы.

Классификация. ВЭП СВЧ классифицируют по нескольким признакам, в частности по распределению параметров, способом введения электронов в рабочее пространство, способом управления потоком электронов, продолжительностью взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем, по направлению векторов скорости электронного потока и напряженности внешнего электрического или магнитного полей, по выполняемыми функциями. По распределению параметров ВЭП СВЧ делятся на имеющие элементы с сосредоточенными параметрами, когда геометрические размеры элементов %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 и приборы с элементами с распределенными параметрами, когда %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9. По способу введения электронов в рабочее пространство ВЭП СВЧ разделяют на инжекционные, в которых электроны вводят в рабочее пространство с помощью электронной пушки, и эмиссионные, в которых электроны вводят в рабочее пространство за помощью термоэлектронной или электростатической эмиссии.
По способу управления потоком электронов ВЭП СВЧ классифицируют на примеры с электростатическим управлением (вакуумные лампы СВЧ) и динамическим управлением (все остальные ВЭП СВЧ).
По продолжительности взаимодействия потока электронов с электромагнитным полем ВЭП СВЧ разделяют на приборы с кратковременной взаимодействием (электронные вакуумные лампы СВЧ, клистроны и т.п.) и приборы с длительным взаимодействием (Лампа бегущей волны, магнетроны и т.д.). По направлению векторов скорости электронного потока и напряженности внешнего электрического или магнитного полей ВЭП СВЧ классифицируют на приборы О-типа, в которых ось электронного потока параллельная направлению внешнего электрического поля, и приборы М-типа, в которых ось электронного потока перпендикулярна внешнего магнитного поля. В приборах О-типа внешнее электрическое поле ускоряет электроны, а внешнее магнитное поле улучшает их фокусировки. В приборах М-типа перпендикулярно магнитное поле сворачивает электронный поток в кольцо. По выполняемым функциям ВЭП СВЧ делятся на генераторные (клистроны, магнетроны), усилительные (лампа бегущей волны). Электронные лампы СВЧ могут выполнять функции как генераторов, так и усилителей СВЧ-колебаний. Условные изображения и обозначения. Условные изображения и обозначения ВЭП СВЧ стандартизированы. Условные изображения покажем на примере клистронов и магнетронов (рис. 1).
%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 1. Условные изображения клистронов (а) и магнетронов (б)

Условные обозначения ВЭП СВЧ состоят из набора букв и цифр, которые означают вид прибора и особенности конструктивного исполнения.

Строение. Максимальные рабочие частоты вакуумных электронных ламп определяются скоростью движения электронов; расстоянием, которое они преодолевают, и величиной реактивных сопротивлений. Для увеличения скорости движения электронов увеличивают напряжение на электродах, что требует конструктивного обеспечения высокой электрической прочности прибора. Для уменьшения расстояния сближают электроды. Для уменьшения реактивного сопротивления применяют радиальное размещение электродов, уменьшают площадь их нерабочих поверхностей, увеличивают диаметр. Радикальной мерой является использование электродов в виде частей колебательных систем. Строение ВЭП СВЧ с динамическим управлением потоком электронов более специфической (рис. 2).

Работа. Принцип действия всех ВЭП СВЧ заключается в преобразовании энергии электронного потока в энергию электромагнитного поля с помощью СВЧ-модуляции плотности электронного потока с последующим содержанием уплотнений в тормозной фазе внутреннего электромагнитного поля, благодаря чему электронный поток отдает энергию полю.

%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

Рис. 1.115. Строение ВЭП СВЧ:
а — керамический триод: 1 — анод; 2 — катод; 3 — накаливатель; 4 — сетка;
б — двухрезонаторный клистрон: 1 — катод; 2 — коллектор; 3 — выходной резонатор;
4 — входной резонатор; в-лампа бегущей волны: 1 — катод; 2 — формовочный электрод;
3 — первый анод; 4 — второй анод; 5 — усилитель сигналов; 6 — магнитная фокусировочная
система; 7 — коллектор; г-магнетрон 1 — многорезонаторная система;
2 — цилиндрический катод

Важнейшим условием работы ВЭП СВЧ является условие синхронизма, то есть примерное равенство скорости электронного потока и фазовой скорости электромагнитных волн (приборы с длительным взаимодействием), или кратность периодов движения уплотнений электронного потока и периодов колебаний электромагнитного поля (приборы с кратковременным взаимодействием). Достичь синхронизма можно двумя способами:
— Ускорением электронного потока;
— Замедлением электромагнитных волн.

Ускорение электронов осуществляется электрическим полем, а замедление происходит в замедлительных системах. В двухрезонаторном клистроне входной резонатор модулирует скорость
предварительно ускоренных электронов, а выходной — тормозит их, отнимая у них энергию. В лампах бегущей волны электроны фокусируются и ускоряются в электронном прожекторе, а затем попадают в замедлительную систему, в которой во время синхронного движения электронов и электромагнитного поля происходит модуляция электронного потока, а на выходе из системы в модулированного
электронного потока отбирается энергия. В магнетронах электроны, движущиеся по кругу, многократно взаимодействуют с электромагнитными полями резонаторов, в результате чего генерируются
СВЧ-колебания, которые выводятся наружу.

Свойства. Рабочие частоты вакуумных электронных ламп СВЧ достигают 5 … 10 ГГц при выходной мощности несколько ватт, а на частотах 300 … 1000 МГц получают мощности в тысячи-сотни ватт. Вакуумные электронные лампы малых мощностей почти полностью вытеснены транзисторами. Рабочие частоты клистронов достигают десятков ГГц, коэффициент усиления равен 40 … 60 дБ, выходная мощность составляет сотни киловатт в непрерывном и десятки мегаватт в импульсном режиме. Лампа бегущей волны обеспечивают выходную мощность от мили- к мегаватт; относительную полосу усиления — десятки процентов, коэффициент усиления мощности 30 … 60 дБ, КПД десятки процентов, коэффициент шума 5 … 10 дБ. Магнетроны имеют самый высокий среди всех ВЭП СВЧ КПД 30 … 90%. их недостатками являются повышенный шум и низкая стабильность частоты.

Применение. Электровакуумные лампы СВЧ применяют для генерирования и усиления мощных СВЧ-колебаний. Клистроны используют как задающие генераторы передающих и гетеродинных систем. лампы бигущей волны используют в качестве входных, промежуточных и выходные усилители СВЧ-колебаний. Магнетроны применяют как мощные передатчики РТС, СВЧ-нагреватели материалов, в бытовых СВЧ-печах.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*