Военно-техническая подготовка

2.2. Приборы СВЧ

2.2.1. Клистроны

В РПУ РЛС для генерации, модуляции и усиления колебаний нашли применение пролетные клистроны (прибор типа О).

а)                                                                                                   в)
Рис.1. Устройство (а) и принцип формирования групп электронов (в) двухрезонаторного пролетного клистрона

Катод К излучает электроны, которые под действием положительного напряжения на ускоряющем электроде У приобретают высокую скорость и, пройдя  сетки С1 и С2, двигаются в направлении анода А. Он находится под высоким положительным потенциалом Еа и играет роль коллектора.

Сетки С1 и С2 это стенки объемного резонатора Р1 , являющегося входным колебательным контуром клистрона. К нему подводятся усиливаемые колебания.

При отсутствии входного СВЧ сигнала в лампе имеется равномерный поток электронов, летящих со скоростью V.

Когда на сетке С2 будет положительное напряжение, а на сетке С1 - отрицательное, электроны, находящиеся между ними, получат ускорение +DV и далее будут двигаться со скоростью V + DV. Когда же на сетке С1 будет положительное напряжение, а на сетке С2 - отрицательное, электроны получат замедление -DV и в дальнейшем будут двигаться  со скоростью V - DV.

В междуэлектродном пространстве клистрона происходит образование групп электронов. Возникшие группы электронов (импульсы) отдают свою кинетическую энергию в цепи выходного колебательного контура Р2 .

Он помещается на участке наибольшей плотности групп электронов, которые, индуктируют в нем СВЧ сигнал, отдавая ему часть своей энергии, полученной от  анодного источника Еа.

Коэффициент усиления по мощности Кр двухрезонаторного пролетного клистрона не превышает значения 20 дб, а КПД - 50%.

Значение Кр повышается до 40-50 дб, а КПД до 60%, если использовать многорезонаторные схемы.

чы22 Рис. 2. Многорезонаторный клистрон.

На пути электронов, располагают еще несколько не связанных с нагрузкой резонаторов, чтобы электроны, пролетая через них, получали дополнительную скоростную модуляцию. В конце пространства дрейфа группировка электронов по плотности максимальна и импульсный электронный поток отдает большую энергию полю выходного резонатора.

Эксплуатационные характеристики клистронов

По роду работы клистроны подразделяют на импульсные и непрерывного действия. Импульсная работа обеспечивается подачей импульсов напряжения на резонаторы или управляющий электрод.

По уровню мощности выделяют маломощные, средней мощности и сверхмощные пролетные клистроны. Мощность в импульсе у маломощных импульсных клистронов менее 10 кВт, у клистронов средней мощности от

10 кВт - до 1МВт, у сверхмощных - более 100 МВт. Для клистронов непрерывного действия мощность соответственно меньше 10 Вт, от 10 Вт до 1 кВт, от 1 до 100 кВт.

Полоса пропускания пролетных клистронов в сантиметровом диапазоне длин волн составляет десятые доли процента от несущей частоты.

Значения питающих напряжений для работы клистронов составляют единицы-десятки киловольт.

В клистронах применяется фокусировка полем постоянных магнитов, однако значения коэффициента шума для клистрона достаточно велики (тысячи).

Для ввода и вывода СВЧ-энергии используют коаксиальные, волноводные и коаксиально-волноводные системы. Охлаждение клистронов, как правило, используется принудительное жидкостное.

Вывод: достоинствами пролетных клистронов следует признать высокие значения коэффициента усиления и КПД, недостатками – узкополосность и высокий коэффициент шума.

2.2.2. Магнетроны

В некогерентных РПУ используются генераторы СВЧ М типа – магнетроны . В них, в энергию СВЧ-поля непосредственно преобразуется потенциальная энергия электронов. Такое взаимодействие электронов и СВЧ-поля обеспечивается при использовании взаимно перпендикулярных (скрещенных) электрического и магнитного полей.

mess000pic260.jpg

Рис. 1. Восьмирезонаторный магнетрон

mess000pic274.jpg

Рис. 2. Принцип работы магнетрона

Колебательная система магнетрона образована рядом объемных резонаторов, выполненных в материале анода. Электроны эмитируются цилиндрическим катодом. Между катодом и анодом пространство взаимодействия. Резонаторы связаны с ним через щели, так что СВЧ-поле «провисает» в это пространство.

Энергия выводится с помощью витка связи, находящегося в одном из резонаторов. Вакуумная камера магнетрона помещена между полюсами магнита, направление магнитного поля совпадает с осью катода.

В пространстве взаимодействия электрическое и магнитное поля взаимно перпендикулярны. Электроны, находясь в пространстве взаимодействия, движутся по траекториям, напоминающим циклоиду, и образуют электронный поток, вращающийся вокруг катода.

Осуществляется модуляция скорости электронов и изменение траектории их движения. В результате чего вращающееся электронное «облачко» из кольцевого превращается в зубчатое. Число электронных «спиц» равно половине числа резонаторов.

Электронное «облачко» вращается с такой скоростью, что «спицы» проходят мимо щелей в тот момент, когда там существует тормозящее поле. Промежутки между «спицами», проходят через ускоряющие поля. Происходит отдача электронным «облачком» энергии резонаторам и потеря энергии на разогрев катода и анода от электронной бомбардировки. Вся эта энергия потребляется от анодного источника.

Эксплуатационные характеристики магнетрона

Выходная мощность магнетронов непрерывного действия составляет от долей ватта до нескольких десятков киловатт, а магнетронов импульсного действия - от 10 Вт до 10 МВт. Электронный КПД магнетронов может превышать 70%. Собственная добротность резонаторов порядка 1000.

Магнетрон характеризуется узкой полосой пропускания (единицы процента от несущей частоты).

Значения питающих напряжений для работы магнетрона составляют от единиц до десятков киловольт.

Магнетроны находят широкое применение в СВЧ-устройствах в качестве генераторов в ПРУ некогерентных систем.

Для ввода и вывода СВЧ-энергии используют коаксиальные, волноводные и коаксиально-волноводные системы.

Вывод: достоинствами магнетрона следует признать высокие значения КПД и выходной мощности, недостатками – узкополосность и невозможность генерации когерентных сигналов.

2.2.3. Амплитроны

Амплитрон является усилителем СВЧ, прибором М типа, применяемым в некогерентных РПУ. Схематически амплитрон имеет много общего с магнетроном. Он имеет замедляющую систему в виде цепочки резонаторов, но в отличие от магнетрона эта цепочка разомкнута и в анодном блоке образованы вход и выход. Чтобы устранить возможность самовозбуждения колебаний, в амплитроне делают обычно нечетное число резонаторов.

Так же, как и в магнетроне, возникает замкнутое вращающееся электронное «облачко», которое взаимодействует с движущейся навстречу электромагнитной волной. При передаче энергии электронов этой волне происходит усиление колебаний.

mess000pic288.jpg Рис. 7. Упрощенная схема амплитрона

Эксплуатационные характеристики амплитрона

КПД амплитронов не менее 55%, а в мощных и сверхмощных приборах достигает 85%.

В непрерывном режиме амплитроны дают выходную мощность до 500 кВт, а в импульсном — 10 МВт и даже больше.

Коэффициент усиления - десятки. Относительная ширина полосы частот 5 - 10%.

Анодное напряжение - единицы или десятки киловольт, а ток анода - десятки ампер.

Вывод : достоинствами амплитрона следует признать высокие значения КПД и выходной мощности, достаточно широкую полосу частот, недостатками – малое значение коэффициента усиления, необходимость формирования высоких уровней входных сигналов.

2.2.4. Лампы бегущей и обратной волны

Для усиления СВЧ колебаний в РПрУ используются лампы бегущей и обратной волны (ЛБВ и ЛОВ) (О тип). Они используют длительное взаимодействие электронов и СВЧ-поля, что позволяет получить необходимое группирование электронов при сравнительно слабом входном сигнале. Рассмотрим усилители СВЧ на примере ЛБВ.

В приборах с бегущей волной применяют специальные линии передачи – замедляющие системы, для понижения фазовой скорости волны до величины сравнимой со скоростью электронного потока, что значительно меньшей скорости света.

TWT.png Рис. 1. Лампа бегущей волны

Электронная пушка (катод) обеспечивает формирование, необходимую начальную фокусировку электронного пучка и регулировку его тока.

Трубка с «антеннкой» является элементом связи замедляющей системы (спирали) с входным волноводом. Такая же «антеннка» используется для связи с выходным волноводом.

Электронный поток проходит внутри спирали, взаимодействует с ее СВЧ-полем и затем попадает на коллектор, который имеет форму стакана или конуса.

Фокусирующая система (соленоид) обеспечивает фокусировку электронного пучка на всей длине прибора.

Замедляющая система обеспечивает и модуляцию электронного потока по плотности, и передачу кинетической энергии электронов от промодулированного потока выходному сигналу.

Отличия ЛОВ от ЛБВ обусловлены использованием не прямой, а обратной пространственной гармоники ЭМВ. За счет этого взаимодействие электронного потока и ЭМВ происходит не на попутных, а на встречных курсах.

Рис. 2. Лампа обратной волны

Эксплуатационные характеристики ЛБВ (ЛОВ).

По величине выходной мощности ЛБВ (ЛОВ) подразделяются на приборы малой мощности (доли милливатта - 1 Вт), средней мощности (1-100 Вт), большой мощности (более 100 Вт) и сверхмощные (более 100 кВт).

По режиму работы различают приборы непрерывного и импульсного действия.

ЛБВ со спиральной замедляющей системой характеризуется широкой полосой пропускания (до 100% от несущей частоты) и относительно малой выходной мощностью, ЛОВ при аналогичной выходной мощности имеет узкую полосу пропускания (десятые доли процента от несущей частоты).

Значения питающих напряжений для работы ЛБВ (ЛОВ) составляют единицы киловольт.

Значения коэффициента шума для ЛБВ (ЛОВ) невелики, в малошумящих (входных) приборах Kш=2,5-20 (или 4-13 дБ). В более мощных Kш=20-1000 (13-30 дБ).

Для ввода и вывода СВЧ-энергии используют коаксиальные, волноводные и коаксиально-волноводные системы. Принудительное охлаждение ЛБВ как правило не используется.

Вывод: достоинствами приборов следует признать низкий коэффициент шума и возможность выбрать требуемую полосу пропускания (в широкополосные схемы - ЛБВ, в узкополосные - ЛОВ), недостатками – относительно невысокие значения коэффициента усиления и КПД.

2.2.5. Диоды СВЧ

Сверхвысокочастотными называют полупроводниковые диоды, используемые для преобразования, детектирования, усиления, умножения, генерирования и управления уровнем мощности сигналов сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн ( f > 1 ГГц).

Фото. СВЧ диоды и свинцовая капсула для их хранения.

Для удобства включения в соответствующие элементы цепей СВЧ (например, волноводы, коаксиальные линии, резонаторы) смесительные диоды помещают в герметичные металлокерамические корпуса различной конструкции.

Диод в корпусе, изображенном на рисунке 1 а, используется в сантиметровом диапазоне длин волн до частот порядка 12 ГГц.

Рис. 1. Конструкции смесительных диодов: а, б - корпусная; в, г, д, е - бескорпусная; ж - бескорпусная типа “кроватка”

Коаксиальная конструкция диода (рисунок 1 ,б) получила распространение в системах СВЧ короткого сантиметрового диапазона до частот порядка 30 ГГц.

Основные характеристики СВЧ диодов

1) Потери преобразования диода L . Они характеризуют уменьшение мощности сигнала СВЧ ( P c ) при его преобразовании в сигнал ПЧ ( P пч) и равны отношению номинальных мощностей этих сигналов.

2) Относительная шумовая температура t ш и Коэффициент шума. Они характеризует избыточные шумы, вносимые диодом на ПЧ по сравнению с шумами обычного резистора в той же полосе частот.

3 Выходное сопротивление R вых имеет важное значение для согласования диода с УПЧ. При разработке диодов принимают меры к тому, чтобы R вых было близко к типовому значению входного сопротивления усилителя. Однако полного соответствия получить не удаётся.

4) Входное сопротивление диода также имеет существенное значение, так как неправильное согласование входа смесителя с входным трактом может привести к значительному отражению мощности принятого сигнала.

5) Выпрямленный ток I 0 есть результат детектирования колебаний гетеродина и определяется ВАХ диода.

6) Электрическая прочность диодов в области отрицательных напряжений характеризуется нормированным обратным напряжением U норм.обр , при котором обратный ток достигает определённого значения, например I обр = 10 мкА.

Для германиевого диода U норм.обр ≈ 3 4 В.

7) Электрическую прочность диода характеризуют мощности P непдоп , P ндоп и энергия W п доп. При превышении этих уровней мощности может произойти необратимое ухудшение параметров диода или полное выгорание его выпрямляющего контакта.

8) Быстродействие . Инерционность электрических процессов в диоде определяется постоянной времени t = r б C бар и инерционностью неосновных носителей, определяющих диффузионную ёмкость р–n -перехода при протекании прямого тока. Поэтому для повышения частотного предела работы используют переходы с малыми поперечными размерами — точечные, барьерная ёмкость которых не превышает десятых долей пикофарад, либо диоды с барьером Шоттки, у которых практически отсутствует диффузионная ёмкость.

2.2.6. Смесители СВЧ

Смеситель СВЧ это устройство, выполненное на волноводной, коаксиальной или микрополосковой линии передачи с одним или несколькими смесительными диодами, осуществляющее преобразование частоты.

Смесители отличаются от детекторов наличием еще одного входа для подключения гетеродина. Смеситель совместно с гетеродином входит в состав преобразователя. Преобразование частоты широко используется в супергетеродинных приёмниках для получения промежуточной частоты.

Общие требования, предъявляемые к смесителям, следующие: минимальный коэффициент шума Кш и потери преобразования L ; равномерность АЧХ и линейность ФЧХ; минимальный уровень мощности гетеродина; максимальная развязка трактов гетеродина и сигнала СВЧ; максимальное подавление нежелательных продуктов преобразования; надёжность работы; малые габаритные размеры и масса.

Различают небалансные, балансные, двойные балансные и кольцевые схемы смесителей.

Рассмотрим для примера волноводный небалансный смеситель.

Рис. 1. Структура продольного сечения волноводного небалансного смесителя

Смесительная секция 1 с диодом 2 и коаксиальным выводом постоянного тока и промежуточной частоты (ПЧ) 3 соединена с направленным ответвителем (НО) 4. В основную линию НО подаётся принимаемый сигнал P c , во вспомогательную линию - мощность гетеродина P г . Этим обеспечивается развязка цепей сигнала и гетеродина. Большая часть мощности гетеродина поглощается в согласованной нагрузке 5. В этом заключается один из недостатков небалансного смесителя. Четвертьволновый фильтр 6 обеспечивает развязку цепей ПЧ и СВЧ. Мощность гетеродина поступает в основную линию через отверстие связи 7.

Главным недостатком небалансного смесителя является преобразование амплитудных шумов гетеродина на ПЧ.

Этого недостатка лишены балансные смесители, в нагрузке которых шумовые токи гетеродина от двух диодов взаимно компенсируются, а полезные сигналы – складываются.

Рис. 2. Структура балансного смесителя

2.2.7. Детекторы СВЧ

Детектором называют устройство, предназначенное для детектирования колебаний, т. е. выделения закона их модуляции.

Детекторы СВЧ используют в устройствах контроля или автоматического регулировании уровня мощности и частоты, контроля формы сигналов, а также в детекторных (или прямого усиления) приемниках.

Детектирование осуществляется благодаря нелинейности вольтамперной характеристики (ВАХ) электронного прибора, в качестве которого чаще всего применяют СВЧ диоды.

К детекторам предъявляют следующие требования:

- высокой чувствительности, которая в основном определяется чувствительностью диода по току;

- хорошего согласования по входу в рабочей полосе частот, которая может составлять десятки процентов для полноводной конструкции и более октавы при коаксиальном или полосковом исполнении;

- малого уровня собственных шумов при их использовании для детектирования слабых сигналов;

- конструкция детектора должна быть надежной и удобной в эксплуатации, иметь малые габариты и массу.

Детектор состоит из устройства связи с СВЧ трактом (согласующего устройства), детекторного полупроводникового диода, фильтра нижних частот и устройства вывода сигнала на постоянном токе и НЧ (в случае модулированного сигнала).

Для повышения избирательности и чувствительности детектора диод может быть помещен в резонатор - диодную камеру, играющую роль входного фильтра и являющуюся конструктивной базой для крепления остальных элементов детектора. Обычно СВЧ детектор называют детекторной головкой , или детекторной секцией.

Рис. СВЧ детектор.

Пример конструкции перестраиваемой волноводной детекторной головки. Здесь диод 1 помещен в камеру 2, перестраиваемую бесконтактным поршнем 3 длиной l/4.Поршень и согласующие винты 4 ограничивают объем резонансной камеры. Расстояние между согласующими винтами выбрано l /8, что обеспечивает согласование различных проводимостей диодов при их смене без изменения расстояния между диодом и винтами. Диод имеет индуктивную связь с камерой; петля связи образуется диодом и стержнем 5 выходного разъема 6.



© 2016 ИВО.