книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление
.pdfпульсные мощности 1—5 кет на частотах до 3 Гец. Этот уровень импульсной мощности можно еще повысить, если воспользоваться более новыми конструкциями трио дов СВЧ, имеющих повышенную мощность в непрерыв ном режиме. Однако эффект в импульсном режиме будет меньшим, чем в непрерывном, так как основой повышения мощности этих более новых триодов является их способ ность работать при среднем токе катода, значение кото рого ближе к максимальному импульсному току, чем у более старых ламп. В тех же применениях, где нужны длинные импульсы.и режим работы становится похожим на непрерывный с короткими паузами, новые лампы, спо собные работать при' повышенных плотностях тока, дают существенные преимущества. Именно этой повышенной эмиссионной способностью объясняются в основном боль шие мощности, полученные для импульсов длительностью 500 мксек при коэффициенте заполнения 0,07 в широкой полосе частот (см. раздел Ж ) -
Импульсный режим можно получить, подавая импуль сы по цепи анодного питания пли по цепи сетки. Когда лампы пригодны для работы в режиме сеточной модуля ции, от источника модулирующих импульсов потребуется значительно меньшая мощность, чем в случае анодной модуляции. Сеточная модуляция стала особенно привле кательной в связи с разработкой мощных транзисторов для целей коммутации. В качестве примера в первую оче редь можно указать на такие применения высокоэффек тивных ламп, где отсечка анодного тока происходит при небольшом или среднем напряжении на сетке, благодаря чему упрощаются требования, предъявляемые к переклю чающему прибору. Полупроводниковый модулятор вы годно использовать, кроме того, в режимах длинных им пульсов, при которых время задержки включения и вы ключения транзисторного ключа играет меньшую роль.
Типичная схема сеточной модуляции показана на фиг. 8. В схеме мультивибратора имеется регулировка длительности импульса и коэффициента заполнения. Кас кад усиления на транзисторе 2Ы384 служит для того, чтобы выходной транзистор возбуждался до насыщения. Выходной транзистор 2Ы2147 пригоден для работы с трио дами, у которых напряжение отсечки анодного тока не
превышает 45 в. Если же напряжение отсечки должно быть больше 45 в, то можно воспользоваться транзисто ром 2Ш147.
Для осуществления импульсной модуляции какоголибо вспомогательного оборудования в схему, изображен ную на фиг. 8, можно добавить еще по одному усилитель-
Ф и г. 8. Схем |
и импульсной модуляции мощных триодов. |
ному и выходному каскаду. Несколько диодов в выход ном каскаде выполняют защитные функции, кроме дио да в коллекторной цепи, который обеспечивает смещение транзистора 2Ш147 при напряжениях смещения на лампе свыше 75 в. Этот диод вводят в схему только при исполь зовании транзистора 2Ы3147. Чтобы скомпенсировать падение напряжения в модуляторе из-за диода и тран зистора, последовательно с выходом модулятора можно включить батарейку на 1,5 в.
Л. Допустимые параметры внешней среды. Триод Ь-65 и другие лампы подобной конструкции чрезвычайно устойчивы к воздействию высоких температур и интен сивных ядериых излучений. Так, например, эти лампы
способны проработать при атмосферном давлении и тем пературе 600 °С тысячи часов или несколько часов при температуре 800 °С [15]. Кроме того, титано-керамические лампы проработали в течение 1600 нас внутри действую щего атомного реактора, где они подверглись воздействию интегральной дозы облучения 1018 тепловых нейтронов. Способность этих ламп выдерживать такие высокие тем пературы и интенсивную радиацию делает их очень важ ными приборами как для обычных, так и многих спе циальных применений.
М.Автоматическое регулирование температуры катода.
Втриодах и тетродах, работающих на сверхвысоких ча стотах, катод испытывает нагрев под действием электро нов, ускоряющихся к катоду. Энергия бомбардировки этими электронами может быть весьма ощутимой и будет вызывать нагрев катода, если не понизить в соответствую
щей мере мощность в цепи накала.
Механически связанная конструкция катодно-подогре вательного узла в лампах Ь-65 и Ь-64 обусловливает тес ный тепловой контакт подогревателя и катода, в резуль тате которого они работают приблизительно приходной и той же температуре. В таких лампах температурой катода можно управлять, меняя температуру подогрева теля. Сопротивление вольфрамовой проволоки, из кото рой делают подогреватель, является чувствительной функ цией температуры; поэтому, если поддерживать постоянным
.сопротивление подогревателя с помощью автоматиче ской схемы стабилизации тока подогревателя, темпе ратура катода также будет оставаться постоянной.
Схема, примененная для такой стабилизации по со противлению подогревателя, приведена на фиг. 9. По существу это мостик Уитстона, в одно из плеч которого включен подогреватель. В таком мостике сигнал разба ланса (вблизи положения равновесия) пропорционален изменению сопротивления одного из плеч. В диагональ моста последовательно с источником питания включен транзистор 2Ы277. Сигнал разбаланса, возникающий при изменении сопротивления подогревателя, действует та ким образом, что последовательно включенный транзи
стор изменяет ток, поступающий |
от источника |
питания, |
и уменьшает разбаланс моста. |
Коэффициент |
усиления |
по току трехкаскадного транзисторного усилителя равен 60 000. Стабилитрон позволяет сохранить нужное смеще ние на транзисторе второго каскада усиления.
Автоматическая схема управления подогревателем при нагреве катода обратной бомбардировкой уменьшит мощ-
Ф и г. 9. Схема автоматичоск и стабилизации температуры катода, предназначенная для ламп, у которых подогреватель имеет хороший тепловой контакт с катодом.
ность, подводимую к подогревателю от источника пита ния. Она же увеличит мощность подогревателя, когда надо будет скомпенсировать охлаждение катода из-за «испарения электронов» в режиме больших средних токов катода. Эта схема может поддерживать температуру ка тода постоянной и в случае ВЧ-нагрева держателя катода.
Н. Расчетная долговечность. Расчетный срок службы триодов может превышать 10 000 час. В первую очередь такой большой срок службы характерен для многих ламп
старых конструкций, технология которых уже полностью отработана. Некоторые титано-керамические лампы, вы пускаемые промышленностью, имеют сравнимые показате ли по сроку службы. Описанные в этом разделе триоды Ь-64 и Ь-65 еще не вышли из стадии экспериментов и инженерной разработки, поэтому в настоящее время их срок службы, вероятно, составляет 500—1000 час. Но в будущем можно ожидать значительного увеличения срока службы этих ламп, которое явится результатом непрерывного совершенствования технологии катода и накопления производственного опыта.
IV. Краткие выводы
Триоды длительное время использовались в качестве экономичных источников энергии на частотах ниже 500 Мгц. Работе в непрерывном режиме на более высо ких частотах мешала невозможность использования ка тодов больших размеров из-за ограничений, налагаемых на допустимые межэлектродные емкости и допустимую мощность рассеяния. Достигнутое в последнее время увеличение тока эмиссии оксидных катодов и использо вание для сеток и анодов материалов, позволяющих по высить рассеяние мощности, расширили область приме нения мощных триодов в сторону значительно более вы соких частот.
В данном разделе были описаны конструкция и пара метры триодов, характеризующих состояние работ в данной области. В числе этих ламп описан триод, кото рый в непрерывном режиме отдает па частоте 1,3 Ггц мощность 1 кет при полном к. п. д. 65% и. мощность 2,5 кет па частоте 700 Мгц при к. п. д. 68% по анодной цепи. Одни из триодов, работающий па частоте 1,3 Ггц импульсами длительностью 500 мксек, при коэффициенте заполнения 0,07 может дать усиление 17 дб в полосе ши риной 11% при импульсной мощности 5 кет. В заключе ние описаны еще более высокочастотные триоды непре рывного генерирования, позволяющие получать мощ ность несколько ватт на частотах 10—12 Ггц. Ожидается, что в результате дальнейшего прогресса в области полу чения более высоких уровней стабильной эмиссии триоды
смогут дать еще более высокие мощности. Таким образом, можно ожидать, что применение этих сравнительно деше вых и простых приборов в энергетике СВЧ будет расши ряться.
|
Л И Т Е Р А Т У Р А |
|
1. Л а ш 1 е 5 о п Н. |
\У Ь 1 п п е г у |
Л. К., Рочуег атрППег |
\уй11 сНзк-зеа1 ГиЪез, |
Ргос. ЩЕ, 34, рр. |
483—489 (Ли1у 1946). |
2.К е 1 с Ь Н. Л., Уегу Н|§Ь-Ргеяиепсу ТесЬп^^ие5, Иеиг Уогк, МсОгауг-НШ, 1947, рр. 323—327.
3. М с А г * Ь и г Е. О., Р1'зк-5еа1 ГиЪез, Е1ес1готсз, 18, рр. 98— 102 (РеЬ. 1945).
4.К о з е К- N.. ТгапБгпШшб ГиЪез Гог ГЬе гап§егз, СаИюйе Ргезз, 22, рр. 2—21 (Ли!у 1965).
5.Р е I е г з о п Р. \У., А пе\у Лез1*бп арргоасЬ Гог а сотрас* кПо-
\уай 1ЛНР Ьеаш ро>уег ГиЬе, Щ Е УУЕЗСОЫ Сою. РесоЫ., Р*. 3, рр. 36—41 (Аи§г. 1958).
6. В е ^ § 8 Л. |
Е., ТЬе изе оГ Шагиигп гпе1а1 ш уасиит Леукез, |
Щ Е Тгапз. |
Е1еЫгоп Беокез, ЕР-3, рр. 93—99 (Лап. 1956). |
7.Р 1 п с и з А. С., Ро5*егйе сегагшс ЬосПез, ИЗ Ра*. 2 912 340, 1959; см. также СотрозИе те*а1 ГозГегИе сегагтс ЪосПез, 115 Ра*. 2 962 136, 1960.
8. В е б § з |
Л. Е., |
ЗеаНпб ше*а1 апЛ сегагшс |
рагГз |
Ьу |
Гогшт^ |
геасИуе |
аНоуз, |
Щ Е Тгапз. Сотропеп1 Р1з., |
С Р-4, |
рр. |
28— 31 |
(МагсЬ 1957). |
|
|
|
|
9.В е б ё 5 Л. Е., СЬагасГепзИсз оГ е1ес*гоп ГиЪез Наушб с!еап е1ес*гоЛез, Щ Е Тгапз. Екскоп Беокез, ЕР-5, рр. 55—58 (АргП 1958).
10. |
О о ш I п б и е 2 |
К., |
V а г а 6 1 |
Р. Р., |
ШбЬ сиггеп* |
ЛепзНу |
||||
|
орегаНоп оГ р1апаг ГпоЛез, Са1Нойе Ргезз, 23, рр. 41—48 (Мау |
|||||||||
11. |
1966). |
Р., |
у а п 5 * г а * и т |
А. Л. А., |
Озппит Л1*зрепзег |
|||||
2 а 1 т |
||||||||||
12. |
саГЬоЛез, РНШрз ТесН. Рео., 27, рр. 69—75 (1966). |
|
||||||||
Б е & б 8 |
3, Е., |
Ь а у о о |
N. Т., Н1‘бЬ-регГогтапсеехрептепГа! |
|||||||
|
ро\уег ГпоЛе5, |
1ЕЕЕкТгапз. Е1ес1гоп Беокез, |
ЕР-13, рр. |
502— |
||||||
13. |
509 (Мау 1966). |
Ь а у о о |
N. Т., А ЫбЬ-регГогшапсе Х-ЪапЛ |
|||||||
В е б б 8 |
Л. Е., |
|||||||||
14. |
ГпоЛе, Тгапз. А1ЕЕ, 82, рр. 322—327 (Мау 1963). |
V/. Ь., |
||||||||
В г о \у п О. Н., М о г г 1 з о п |
\У. С., |
В е Ь г е п <1 |
||||||||
|
К е Л Ле с к |
Л. О., |
МеГкоЛ оГ шиШр!е орегаИоп о! ГгапБгш*- |
|||||||
|
Ипб 1иЬез-рагйси1аг1у аЛарГеЛ Гог 1е1еу1зюп Ггапзпнззюп т |
|||||||||
15. |
*Ье 1ЛНР ЬапЛ, РСА Рео., 10, рр. 161—172 (Липе 1949). |
|
||||||||
В е б 8 5 |
Л. Е ., |
Тйапшт сегаппсз ир е1ес*гоп ГиЪез ГетрегаГи- |
||||||||
|
ге сарасИу, 1пй. ЬаЬ.ш7 ^ |
оу. 1956). |
|
|
|
Би ч л е р
I.Введение
После первого успешного эксперимента [1], о кото ром сообщалось в 1958 г., к вопросу получения мощ ности СВЧ в результате взаимодействия между электрон ным лучом и плазмой был проявлен значительный инте рес. Но несмотря на то что такие взаимодействия обла дают рядом потенциальных преимуществ для получения большой мощности по сравнению с обычными усилителя ми, практический прибор пока еще не создан. Ниже мы рассмотрим различные виды взаимодействий и кратко остановимся на их физическом смысле. Далее будут ука заны преимущества, связанные с использованием плаз мы для усиления СВЧ, и некоторые проблемы, стоящие перед разработчиками. В заключение будет дана характе ристика современного состояния работ по плазменно лучевым усилителям.
11. Физическое описание плазменно-лучевых взаимодействий
Основные элементы плазменно-лучевого усилителя по казаны на блок-схеме фиг. 1. Легко заметить аналогию между таким усилителем и обычной ЛБВ или клистро ном. Создаваемый электронной пушкой луч, последова тельно проходит через входное устройство связи, про странство взаимодействия, выходное устройство связи и попадает на коллектор. Входное устройство связи, кото рое соответствует нескольким первым виткам спирали в ЛБВ или входному резонатору в клистроне, обеспечивает каким-либо способом возбуждение ВЧ-волн в плазмен но-лучевой системе. Выходное устройство связи выпол няет обратную функцию, т. е. отбирает ВЧ-энергию из плазменно-лучевой системы и направляет ее в выходную передающую линию. Более подробно устройства связи рассматриваются в разд. 2.7.5.
Между устройствами связи имеется область взаимо действия, в которой происходит нарастание амплитуды волн, возбужденных входным устройством связи. Эта область соответствует промежуточным резонатором и пространству дрейфа многорезонаторного ^клистрона либо центральной части замедляющей системы-ЛБВ. Действи тельно, как будет показано ниже, аналогия оказывается весьма хорошей, причем различные виды плазменно-луче-
Злектронный
луч
Фи г . 1. Принципиальная схема плазменно-лучевого уси лителя.
вых взаимодействий соответствуют различным типам обыч ных приборов. Так же, как в клистронах и ЛБВ, энергия ВЧ получается на выходе за счет уменьшения кинетиче ской энергии электронного луча, а плазма выполняет роль пассивной цепи.
Ради удобства дальнейшего изложеиия^мы определим плазму просто как нейтральный ансамбль* положительно и отрицательно заряженных частиц; такого типа ансамбль мы имеем в ионизованном газе, который является обыч ным 'видом плазмы, используемой в экспериментальных усилителях. В большинстве случаев отрицательные ча стицы — это электроны, а положительные — ионизован ные атомы или молекулы. Таким образом, поскольку масса положительных частиц много больше, чем электро нов, скорость движения электронов под воздействием высокочастотных электромагнитных полей выше скорости ионов. Следовательно, при сверхвысоких частотах мы
будем считать положительные ионы неподвижными в пространстве и описывать свойства плазмы в терминах, характеризующих движение электронов.
Если пренебречь тепловым движением, для каждого электрона будет существовать некоторое равновесное по ложение, где кулоновские силы окружающих его поло жительных зарядов будут сбалансированы. Когда элек трон смещается на небольшое расстояние от этого поло жения равновесия, он начинает простые гармонические колебания с частотой, называемой плазменной. Частота эта выражается следующим образом:
А -= п еУ тЕ 0, |
( 1) |
где е и т — заряд и масса электрона, е0 — -диэлектриче ская проницаемость вакуума и п — число электронов в 1 иг4 Плотность электронов удобнее выражать числом электронов в 1 см'л, и в этом случае плазменная частота определяется как
/ „л -- 8980 у~п, |
(2) |
где п выражено в слГ*, а / пл — <апл/2я. Если присутствует статическое магнитное поле, то в движении электронов будет наблюдаться резонанс на циклотронной частоте
где В — индукция магнитного поля, вб/м2 (тл). Этих двух параметров, плазменной и циклотронной частоты, вполне достаточно для описания плазмы при кратком рассмотрении плазменно-лучевых взаимодействий. В реальной плазме электроны соударяются с ионами, другими электронами и нейтральными молекулами, если последние имеются в плазме. Кроме того, в реальной плазме существует распределение электронов по ско ростям, зависящее от температуры. В плазмах, исполь зуемых в большинстве экспериментов с плазменно-луче выми усилителями, средняя частота соударений, т. е. число соударений в секунду, составляет приблизительно 1% от плазменной частоты. Средняя тепловая скорость электрона соответствует энергии в несколько электронвольт и обычно мала по сравнению со скоростями, воз