|
| |
|
Слаботочка Книги вень мощности шума вблизи несущей частоты (т. е. при значениях /сдв, лежащих в диапазоне допплеровских частот), который постепенно уменьшается по мере удаления от несущей (увеличения /пч). Спектр ЧМ-шумов имеет аналогичную форму [2, 3, 27]. Шумы клистронов см волн в центре зоны характеризуются следующими данными [1]: иа частотах сдвига fcAs порядка 100 гц, 3 кгц 30 кгц и Ю-нЮО Мгц величины гпа соответственно равны - (130н-;140); - (135-f-il60); -(150-170) и (165- 175) дб/гц; а на /сдв«100 гц, 3 кгц я 30 кгц значения Af равны 0,Зч-!10; 0,2ч-1,5 и 0,1-0.3 гцУгц соотаетсттвеняо (/п/« -(33-48); -(70ч-80); --(96--103) дб/гц). При отклонении от центра зоны генерации шумы возрастают, причем и болыпей степени при отолонении в сторону высоковольтного (высокочастотного) края зоны. На низковольтном краю зоны AM- и ЧМ-шумы иа Зн-10 дб больше, чем в центре, а на высоковольтиом «раю на 44-15 дб больше. По мере укорочения длины волны шумы клистронов возрастают, причем особенно значительно на мм волнах. Уже в 8-мм диапазоне на /сдв=30-нб0 Мгц АМ-шумы на 10-ь20 дб выше, чем в 3-см диапазоне. О величине этих шумов можно судить по экспериментальным данным табл. 4.2, полученным при исследовании различных эк- Таблица 4.2 Уровень амплитудных шумов двух типов клистронов S-мм диапазона при fji, = 30 А1гц
земпляров двух типов клистронов 8-мм диапазона, приведенных в табл. 4.1. При переходе с частоты /сдв= = 30 Мгц на 60 Мгц уровень этих шумов уменьшается в 4-ь8 раз. Источники питания клистронов должны быть стабилизированы, причем особенно жестко по С/отр и С/фок (нестабильность не более 0,17о). Требования к стабильности напряжений возрастают для клистронов мм волн, у которых влияние изменений напряжений на частоту /г больше, чем на см волнах. Схема питания клистронов должна быть такой, чтобы в процессе включения, выключения и во время работы напряжение 6отр всегда было К отрицательным по отношению к катоду. В противном L. случае из-за появления электронного тока на отража-1;, тель и его разогрева возможен преждевременный выход i, клистрона из строя [1]. Результирующее сопротивление, включенное в цепь отражателя, не должно превосходить допустимой величины, указанной в ТУ на клистрон (обычно не более 100 ком). Варианты схем подключения клистронов к источникам питания и правила эксплуатации клистронов рассмотрены в [1], а зависимость их параметров от режима работы в [1, 3]. Наконец, заметим, что клистроны на Яраб<3 см нуждаются в принудительном воздушном охлаждении с помощью вентиляторов. Необходимая интенсивность обдува оговорена в ТУ на клистрон. 4.3. Лампы обратной волны (ЛОВ] Гетеродинные (маломощные) ЛОВ типа О являются, как и клистроны, полностью готовыми к работе генераторами СВЧ и представляют собой электровакуумный электроннолучевой прибор. Состав основных элементов этих ЛОВ (другие здесь не рассматриваются) и их устройство почти полностью совпадают с ЛБВ (§ 3.4, рис. 3.17). Принципиальное отличие устройства ЛОВ от ЛБВ заключается в том, что в ЛОВ имеется только один волноводныи или коаксиальный вывод СВЧ энергии, элемент связи которого с замедляющей системой расположен у ее начала (у катода), а СВЧ поглотитель (согласованная нагрузка) расположен в конце замедляющей системы, у коллектора (рис. 4.4). Принцип действия и устройство ЛОВ подробно описаны в [4, 7, 8]. Взаимодействие сфокусированных в пучск электронов ЛОВ происходит ие с прямой волной, как в ЛБВ, а с обратной пространственной гармоникой (составляющей) поля обратной волиы, распространяющейся по замедляющей системе (спираль, «встречные штыри» и др.) от коллектора к катоду. В результате такого взаимодействия энергия электронов передается этой гармонике, имеющей направление распространения, совпадающее с электронным, и в конечном счете основной (обратной) волне, распространяющейся от ко.тлек-тора к катоду [4, /. Такая система взаимодействия обеспечивает условия самовозбуждения колебаний. Частота колебаний /г, естественно, зависит от напряжения на замедляющей системе, т. е. от скорости электронов, вследствие чего это напряжение называют управляющим (С/упр). Изменяя С/упр в широких преде- лах, можно получить очень широкий диапазон электронной настройки А/эл. Это и делает ЛОВ самым широко-днапазонным гетеродином с электронной настройкой /г (механическая настройка отсутствует). По способу фокусировки электронного пучка различают ЛОВ с магнитной (постоянным магнитом) и периодической электростатической фокусировками (рис. 4.4). Назовем пх для краткости ЛОВ-МФ н ЛОВ-ЭФ соответ- г 4*i 5 6 Рис. 4.4. Схема устройства ЛОВ с магнитной (а) и периодической электростатической (б) фокусировкой: / - фокусирующий электрод; 2 -первый аиод; 3 - замедляющая система; 4 - постоянный магинт; 5 - согласованная нагрузка; 6 - коллектор; 7 - волноводный вывод энергии. ственно. В ЛОВ-ЭФ используют замедляющие системы типа видоизмененной двухпроводной линии, например «встречные штыри» [7-9]. К изолированным друг от друга половинкам такой системы прикладывают фокусирующее напряжение, при этом соседние элементы замедляющей системы образуют систему электростатических линз. Это же напряжение часто используют также в качестве управляющего (f/ynp) для перестройки частоты /г, т. к. величина последней определяется среднеарифметическим значением напряжений па обеих половинках замедляю- щей системы относительно катода [8]. Важнейшим преимуществом ЛОВ-ЭФ перед ЛОВ-МФ являются значительно меньшие размеры и вес лампы. По этим данным и внешнему виду ЛОВ-ЭФ приближаются к клистронам (рис. 4.5). Современные ЛОВ выпускают в виде механически прочной металлокерамической конструкции, а ЛОВ-МФ - в пакетированном виде. Вес ЛОВ-ЭФ равен 300-600 г, вес ЛОВ-МФ 3-5 кг.    Рис. 4.5. Общий вид ЛОВ сж волн с магнитной (а) и электростатической (б) фокусировкой. Характерными особенностями свойств ЛОВ, наряду с широким диапазоном А/эл, являются нелинейная зависимость частоты /г от f/ynp и связанная с этим большая величина 5эл в низкочастотной половине диапазона Д/;,л, а также весьма значительные изменения Ртли и 5эл в рабочем диапазоне. При этом зависимости Рвых(упр) и 5эл(/упр), эквивалентные соответствующим зависимостям от частоты /г, представляют собой не монотонные, а волнистые или изрезанные кривые (рис. 4.6). Существование таких зависимостей вытекает из принципа действия ЛОВ, а их немонотонность объясняется влиянием отражений в элементах СВЧ тракта ЛОВ и в ее нагрузке {4, 7, 8]. Чем больше эти отражения, тем больше из-резанность кривых.  то £/-y„p,ff Рис. 4.6. Характер зависимости мощности Рвых, частоты fr и крутизны электронной настройки Sa„ ЛОВ от напряжения на замедляющей системе f/ynp. ЛОВ имеют следующие электрические характеристики. Диапазон А/эл, равный в данном случае Afpac, составляет 20-60% от величины frcp [7, 9]. В этом диапазоне 242 перепад выходной мощности Рвыхмакс/Рвыхмин=5-ь10 дб, причем между соседними экстремальными значениями он может достигать 3-5 дб; перепад крутизны 5эл макс/5эл мин2,5 Ч- 6. КруТИЗНЗ 5эл мин составляет единицы Мгц/в, а 5эл макс на мм волнах достигает нескольких десятков Мгц/в. Мощность Рвых мин лежит в пределах от 5-10 мет на коротких мм волнах до десятков и сотен милливатт на см волнах (табл. 4.3) [5, 7, 9, 28]. ТКЧ ЛОВ определяется в основном коэффициентом линейного расширения металла замедляющей системы и имеет приблизительно такую же величину, как у клистронов [7, 8]. При рассогласовании внешней нагрузки ЛОВ ее мощность Рвых уменьшается, а перепады Рвых и 5эл в полосе частот А/эл возрастают, причем тем больше, чем больше КСВ нагрузки и расстояние от нее до выхода ЛОВ. Эти вопросы, так же как и влияние других дестабилизирующих факторов на параметры ЛОВ, рассмотрены подробнее в [7, 8]. Амплитудные шумы ЛОВ на частотах сдвига /сдв - «5-г-ЗО Мгц имеют величину такого же порядка, что и в отражательных клистронах соответствующего диапазона волн. За пределами этой области частот сдвига уровень АМ-шумов ЛОВ в несколько раз выше, чем у клистронов. Уровень ЧМ-шумов ЛОВ также заметно выше, чем у клистронов, на всех частотах сдвига /сдв [7, 27]. Источники питания ЛОВ и требования к ним подобны источникам питания отражательных клистронов, но в отличие от последних напряжение управления частотой в ЛОВ (С/упр) является более высоковольтным, чем С/ртр в клистронах. Напряжение f/ynp должно изменяться в более широких пределах, и, что особенно важно, ток потребления по этой цепи не близок к нлю, как в клистронах, а составляет 20-50 ма [7, 8]. 4.4. Полупроводниковые гетеродины Полупроводниковый гетеродин представляет собой СВЧ устройство, состоящее из СВЧ колебательной системы (резонатора или системы резонаторов в виде вол-новодно-коаксиального, полоскового или микрополоско-вого устройства) и активного элемента, в качестве которого в большинстве случаев используется полупроводниковый СВЧ диод того или иного типа: туннельный (ТД), варакторный, лавинно-пролетный (ЛПД), диоды 16* 243 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 [38] 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 |
||||||||||||||||||||||