книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот

ГЛАВА 5

МАЛОШУМЯЩИЕ ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ, ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ И КВАНТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Энергетический потенциал радиоэлектронных систем наряду с выходной мощностью передатчиков в значи­ тельной мере определяется чувствительностью приемных устройств.

Высокая чувствительность достигается при использо­ вании на входе приемного устройства приборов с ма­ лым коэффициентом шума. Это следует из выраже­ ния [1, 2]

Аш — ^шф -]- -	Т-*у.*А,с	(5.1)
к у с ф

где £Шф, &ш1, &ш2, ... — коэффициент шума входной пе­ редающей линии, первого, вто­ рого и последующих каскадов приемника;

£усф, £усь &ус2, ... — коэффициент передачи входного устройства и коэффициент уси­ ления первого, второго и после­ дующих каскадов приемника.

Эффективная шумовая температура приемного устрой­ ства определяется зависимостью

r - = r * + r * + ^ + d b + - - - -			<5-2>
где Га, 7ф, Т|, Т2 ...— эффективная		шумовая	темпера­
тура	антенны,	передающей ли­
нии,	первого,	второго	и после­

дующих каскадов приемника.

232

Шумовая температура связана с коэффициентом шу­ ма выражением

Т = {km— 1)-290°.

(5.3)

Шумовая температура может быть переведена в ко­ эффициент шума, выраженный в децибелах, по формуле

M<W) = 101g(l + | g ) .

(5.4)

Для удобства пересчета шумовой температуры в гра­ дусах Кельвина в коэффициент шума, выраженный в де­ цибелах, при значениях коэффициента шума, встречаю­

щихся	в параметрических и квантовых усилителях
(/гш< 3	дб), можно пользоваться следующими прибли­

женными формулами {36]:

(5.3а)

(5-4а)

Для перевода шумовой температуры в коэффициент шума и наоборот можно также рекомендовать график, приведенный в приложении 3.

С начала развития радиолокационной техники до на­ стоящего времени наиболее простым малошумящим входным прибором СВЧ является кристаллический де­ тектор, используемый в качестве смесителя в супергете­

родинных приемниках и	видеодетектора — в приемни­
ках прямого усиления.	Однако в тех случаях, когда

стоит задача получения высокого потенциала и требо­ вания к габаритам и весу аппаратуры не строго ограни­ чены, наиболее целесообразно применение ламп бегущей волны (ЛБВ), параметрических и квантовых усилителей.

Вопросы применения кристаллических детекторов рассматриваются в гл. 6. Ниже более подробно оста­ новимся на малошумящих лампах бегущей волны, по­ скольку они являются широко распространенными при­ борами СВЧ и по ним имеется достаточно большой опыт применения в аппаратуре.

Лампы бегущей волны подобно лампам обратной волны относятся к электровакуумным приборам с дли­ тельным взаимодействием электронного потока с элек-

233

тромагнитным полем, распространяемым в замедляю­ щих системах. В качестве замедляющих систем в малошумящих ЛБВ чаще всего применяются спирали.

Схематическое устройство и основные элементы ЛБВ показаны на рис. 5.1. Электронный луч в ЛБВ форми­ руется с помощью электронной пушки, состоящей из термокатода, фокусирующего электрода и ряда анодов (два-три и более), на которые подаются соответствую­ щие питающие напряжения С/ф, £/аь £Л>2 Ближайший анод к спирали, спираль и коллектор чаще всего соеди­ няются между собой. Сформированный электронный пу­ чок проходит через спираль. Фокусировка электронного

пучка вдоль протянутой спирали осуществляется соле­ ноидами или постоянными магнитами. Вход и выход вы­ сокочастотной энергии делаются в виде коаксиальных линий или волноводов. Вдоль спирали на участке не­ скольких витков находится локальное затухание для предотвращения самовозбуждения лампы за счет внут­ ренней обратной связи.

Электронная пушка, спираль, локальное затухание и коллектор находятся в вакуумной части лампы. Обо­ лочка лампы (баллон) выполняется из стекла или кера­ мики. Иногда баллон лампы с выводами ВЧ энергии по­ мещаются в цилиндрическую капсулу, удобную для хра­ нения и смены лампы в аппаратуре, где соленоид, пред­ ставляющий значительный вес по сравнению с капсулой, жестко закрепляется и является несменным элементом аппаратуры.

Для ЛБВ со средними уровнями шумов встречаются пакетные конструкции, в которых лампа и фокусирую-

234

щая система, выполненная в виде набора магнитных шайб и керамических кольцевых магнитов (периодиче­ ская фокусировка), составляют единое целое. Встреча­ ются ЛБВ с электростатической фокусировкой. Подоб­ ная фокусировка .приобретает распространение в виде цеитробежио-электростатичеокой, развитой 3. С. Черно­ вым [3, 4]. ЛБВ с электростатической фокусировкой имеют значительно меньшие габариты и вес, хотя и тре­ буют дополнительных питающих напряжений для фоку­ сировки.

5.1. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ МАЛОШУМЯЩИХ ЛБВ

Для применения ЛБВ во входных цепях аппаратуры необходимо знать следующие основные характеристики

ипараметры:

—коэффициент шума;

—коэффициент усиления;

—полосу пропускания;

—выходную мощность;

—КСВ входа и выхода;

—коэффициент затухания замедляющей системы;

—амплитудную характеристику;

—частотную характеристику;

—нестабильность фазы выходного сигнала;

—устойчивость работы (отсутствие самовозбужде­

ния);

—долговечность.

Режим работы ЛБВ характеризуется:

—напряжениями накала, управляющего электрода, анода (анодов), спирали, коллектора;

—напряженностью фокусирующего магнитного поля

ираспределением его вдоль прибора для ламп с магнит­ ной фокусировкой;

—напряжениями на фокусирующих электродах для ламп с электростатической фокусировкой;

—токораспределеиием;

—температурой баллона и способом охлаждения. Применяемый для оценки шумовых свойств ЛБВ ко­

эффициент шума позволяет сравнивать шумы, получае­ мые на выходе ЛБВ, с шумами ЛБВ, не имеющей внут-

235

репних источников шума. В общем случае коэффициент шума определяется выражением

.	Л.Х				/г- с.
кш = —р------,					(5.5)
	Г 'о ы х
	Рш ВЫ5
где Рвх и Рпых — мощность	входного		и	выходного
сигналов;	шума	на	входе	и	выходе
Ртах и Ршвых— мощность
лампы.
Принимая отношение j r 1= k yc		(коэффициент			усиле­

ния), а Ртъх= кТ Ц (где 6 — постоянная Больцмана; Т— абсолютная температура, °К; Д/1— полоса пропускания), выражение (5.5) может быть переписано в виде [5]

(5-6)

Отсюда следует, что при заданной полосе пропуска­ ния коэффициент шума ЛБВ определяется уровнем шу­ мов, создаваемых на входе, и зависит от конструкции лампы.

Приближенно коэффициент шума в относительных единицах может быть подсчитан по формуле Пирса [6]

	* - = 1+ т ( 1- т ) ^ 7 -		<5'7>
где	Тк — температура	катода, °К;
	Та— температура	окружающей среды, °К;

С—параметр усиления;

W —	волновое сопротивление спирали;
/ 0 и U0—	ток и напряжение электронного потока.

При Гк—900°К, Го=<300°К и параметре усиления, выраженном через эффективное значение дробового то­ ка в минимуме потенциала вблизи катода лампы, можно приближенно рассчитать зависимость коэффициента шу­ ма от частоты. Подобная зависимость, рассчитанная с учетом влияния пространственного заряда [7—9], по­ казана на рис. 5.2.

236

Путем правильного выбора размеров и конфигурации электронной пушки, введения нескольких анодов, хоро­ шего вакуума, тщательной фокусировки электронного потока вдоль лампы можно добиться уровня шумов ЛБВ, приближающихся к данным, рассчитанных по фор­ муле (5.7).

На базе существующей теории ЛБВ [6, 10] были про­ ведены расчеты коэффициента усиления в зависимости от тока в пучке (тока коллектора) и напряжения на

Рис. 5.2. Характер изменения коэффициента шума от частоты (за счет дробового эффекта в пучке электро­ нов).

спирали применительно к конкретному типу лампы. За­ тем данные расчета были сравнены с экспериментом, результаты которых представлены графически на рис. 5.3 и 5.4. Из этих данных видно, что характер рас­ четных и экспериментальных кривых близок друг к дру­ гу, однако абсолютные значения существенно разли­ чаются. Расчетные значения коэффициента усиления, так же как для коэффициента шума, являются более высокими. Все это свидетельствует об известной идеали­ зации теории ЛБВ, практическое пользование которой для промышленных образцов ЛБВ требует введения соответствующих поправок [13].

Приближенная оценка коэффициента усиления ЛБВ может быть произведена по следующей формуле [10, 11]:

*rc »47,3CJV — (0.+9.5),

(5.8)

где /гус — коэффициент усиления, дб;

237

d0 — величина локального затухания, дб;

N = j2 —число длин волн вдоль спирали;

/сп —Длина спирали; Яс —длина волны оси спирали;

С— параметр усиления.

Важные свойства ЛБВ, необходимые для определе ния возможностей применения ламп; описываются ча стотными и амплитудными характеристиками.

Рис. 5.3. Расчетная (с учетом и без учета локального затухания а<Л и эксперимен­ тальная зависимости коэффициента усиле­ ния ЛБВ от тока коллектора.

Рис. 5.4. Расчетная (без учета изменения фазовой скорости волны в диэлектрике) и экспериментальная зависимости коэффи­ циента усиления ЛБВ от напряжения спи­ рали.

Под частотной характеристикой ЛБВ понимается за­ висимость коэффициента шума или усиления (иногда выходной мощности) от частоты при неизменной мощно­ сти на входе (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Типовая частотная характеристика ЛБВ.

Данная характеристика позволяет определить полосу пропускания ЛБВ Д/ по заданному уровню уменьшения коэффициента усиления или увеличения коэффициента шума (распространено оценивать полосу пропускания при Д&уС=.3 дб).

, »

— ~/fyc

\& ы х

	20				\
					ч
	10
	/
'	2	3	Ь	6 8 10	20 20 40	69 SO 100
						Рйх,мкбт

Рис. 5.6. Амплитудная характеристика ЛБВ.

239

Амплитудная характеристика ЛБВ выражает зави­ симость мощности выходного сигнала от мощности вход­ ного сигнала (рис. 5.6).

5.2.ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ МАЛОШУМЯЩИХ ЛБВ

Основные технические данные малошумящих ЛБВ промышленного выпуска приведены в табл. 5.1 и пока­ заны на диаграмме рис. 5.7 [14].

						Т а б л и ц а	5.1
Технические данные некоторых распространенны х
		малошумящих ЛБВ
Тип ЛБВ	Средняя	Полоса	*ш>	*ус-	^ иих*	У о. 0	/ 0,
	частота,	пропус­
•	Мгц	кания, %	дб	дб	мет
STP106	450	65	10	20	5	300	1,5
НА52	760	65	5	30	5	—	—
А 1056	1250	25	7	25	1	500	1
LD490	1500	65	6	—	__	500	—
НА37	3 000	65	10	25	—	525	1,5
6361	3100	13	6,5	25	1	500	1
УВ-5	3 900	26,5	8	18	__	4 0 0 -500	0,03
N101 ОМ	5 500	53	9	25	1	750	0,35
Z3028	6 000	65	10	25	1	550	2
НА23	9600	29,3	10	30	1	1 250	0,8
НА46	15000	40	10	25	1	—

Лучшее образцы ЛБВ в 10-сж диапазоне волн имеют коэффициент шума до 2,5—3 дб при полосе пропуска­ ния 300—500 Мщ. Многие типы ЛБВ выпускаются на большой срок службы (до 5000—10 000 час) и для ра­ боты в условиях больших температур окружающей сре­ ды (до 150—200° С). Для этой цели баллоны некоторых ЛБВ выполняются из тугоплавкого стекла или кера­ мики.

Наличие весьма широкой полосы пропускания де­ лает целесообразным применение ЛБВ во входных, промежуточных и выходных каскадах. При этом, если для входных ламп основным является коэффициент шума, то для промежуточных — коэффициент усиления и выходных — выходная мощность. Примерами подоб­ ных ламп могут служить ЛБВ типов УВ-5, УВ-6 и УВ-7,

240

используемые в ретрансляционных линиях связи. Дан­ ные этих ламп приведены в табл. 5.2

Фотографии внешнего вида лампы бегущей волны (по типу УВ-5) без фокусирующей магштюй системы и ЛБВ пакетной конструкции с постоянными магнитами показаны на рис. 5.8.

Нщ,д6

Н'г

------ г

/

т т 7оо юоо	т о т то т о т гот
	f.Meu

Рис. 5.7. Диаграмма распределения рас­ пространенных маломощных ЛБВ по коэффициенту шума о диапазоне частот, рекламируемых зарубежными фирмами.

Следует отметить, что для достижения наиболее вы­ соких значений параметров ламп по коэффициенту шу­ ма, коэффициенту усиления и долговечности, лампы должны специально юстироваться в магнитном поле и напряжение питания устанавливаться в соответствии с паспортными данными для каждого экземпляра ламп.

16-124

241