Политех в Сети

Сайт для Учебы

6.3.ГЕНЕРАТОРЫ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

Рейтинг пользователей: / 4
ХудшийЛучший 

В качестве генераторов электрических колебаний в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) можно использовать полупроводниковые приборы, имеющие в некоторой области значений напряжений падающие участки на вольтамперной характеристике. Этим участкам соответствует отрицательное дифференциальное сопротивление . Такая вольтамперная характеристика, в частности, у туннельного диода. Использование туннельного диода совместно с колебательным контуром позволяет построить автогенератор электрических колебаний на частоты до нескольких гигагерц. Незатухающие колебания в контуре возможны, когда его сопротивление потерь равно нулю. Потери в контуре можно скомпенсировать, если внести в него некоторое отрицательное сопротивление. Роль отрицательного сопротивления может выполнить нелинейный элемент с падающим участком вольтамперной характеристики. Для возбуждения колебаний необходимо на туннельный диод подать такое напряжение, при котором рабочая точка будет находиться на падающем участке вольтамперной характеристики туннельного диода. Если рабочая точка выбрана так, что , где -добротность, а -волновое сопротивление контура, то в автогенераторе устанавливается стационарный режим колебаний. Колебательный контур состоит из индуктивности и собственной емкости туннельного диода . Вольтамперная характеристика и схема автогенератора на туннельном диоде приведены на рис.6.18.

описание: вольтампернаятуннельныйописание: генератортуннельный

Рис.5.18.Вольтамперная характеристика и генератор на туннельном диоде

В режиме генерации через туннельный диод протекает ток порядка 1 мА, при этом генерируемая мощность составляет от десятков микроватт до единиц милливатт.

Несколько более высокие уровни мощности можно получить с помощью генераторов, построенных на диодах Ганна, также имеющих на вольтамперной характеристике участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В 1963г. американский физик Дж. Ганн обнаружил, что при некоторых условиях ток, проходящий через полупроводники с электронной проводимостью (арсенид галлия, фосфид индия), испытывает периодические СВЧ колебания. Колебания возникают тогда, когда приложенное к бруску полупроводникового материала напряжение создает в нем электрическое поле, превышающее некоторую критическую величину: , где - длина бруска. Частота колебаний тока при этом связана со скоростью дрейфа электронов от катода к аноду следующей зависимостью: . В арсениде галлия , поэтому при Мкм частота составляет ГГц.

Диод Ганна представляет собой полупроводниковый кристалл без перехода с двумя зонами проводимости, имеющий два электрода – анод и катод. Зоны проводимости – это низко расположенная главная долина большой кривизны и высоко лежащая плоская дополнительная долина, как показано на рис.6.19.

описание: диодганназоныописание: диодганнавольтамперная

Рис.6.19. Зоны проводимости и вольтамперная характеристика диода Ганна.

В этих двух зонах проводимости электроны имеют разные массы и разную подвижность. Эффективная масса электронов обратно пропорциональна кривизне минимума энергии долин. Соответственно эффективная масса электронов, находящихся в главной долине, мала, следствием чего является их высокая подвижность. При отсутствии внешнего электрического поля или при сравнительно слабом поле электроны находятся в нижней зоне проводимости, где они обладают более высокой подвижностью и поэтому полупроводник имеет сравнительно высокую проводимость. При увеличении напряжения, приложенного к полупроводнику, ток сначала возрастает в соответствии с законом Ома, но при некотором напряжении, когда напряженность становится достаточно высокой, большая часть электронов переходит в верхнюю зону проводимости и вследствие увеличения их массы и уменьшения подвижности в этой зоне сопротивление полупроводника резко увеличивается. Ток уменьшается и на вольтамперной характеристике возникает падающий участок, соответствующий отрицательному дифференциальному сопротивлению. Вследствие неоднородности материала полупроводника сопротивление под действием сильного электрического поля повышается не во всем полупроводнике, а лишь в каком-то одном месте. Область такого повышенного сопротивления и более сильного поля называется доменом. Домен обычно образуется возле катода и движется с большой скоростью к аноду. Дойдя до анода, домен исчезает, но новый домен снова возникает возле катода. Пропадание доменов и возникновение новых сопровождается периодическим изменением сопротивления диода Ганна, вследствие чего появляются колебания тока, частота которых соответствует диапазону СВЧ.

Важная особенность диодов Ганна в том, что при генерировании “работает” весь полупроводниковый кристалл, а не только малая его часть. Поэтому в диодах Ганна можно допустить большие мощности. В непрерывном режиме диоды Ганна генерируют мощности в десятки ватт, а в импульсном - единицы киловатт при коэффициенте полезного действия от единиц до десятков процентов. Диоды Ганна устанавливаются в волноводные и коаксиальные секции, соединенные с высокодобротными резонансными системами для получения высокостабильных СВЧ колебаний.

В качестве генераторов в диапазоне СВЧ используют также электровакуумные приборы – клистроны и магнетроны. Клистрон представляет собой сочетание электронной лампы с объемным резонатором. Клистроны делятся на отражательные и пролетные. Отражательные клистроны являются маломощными генераторами и используются в качестве задающих генераторов и гетеродинов. Пролетные клистроны исполняют роль мощных усилительных приборов.

В клистронах применяются специальные тороидальные резонаторы, напоминающие обычные резонансные контуры, когда индуктивность уменьшается с ростом частоты. При этом по форме катушка индуктивности вырождается в тор для уменьшения излучения, а обкладки конденсатора выполняются в виде двух сеток резонатора, через которые могут пролетать электроны. Схематически устройство отражателного клистрона показано на рис.6.20.

описание: отражательныйклистрон

Рис.6.20. Устройство отражательного клистрона

Отражательный клистрон состоит из катода с нагревателем, ускоряющего электрода, объемного резонатора со встроенными в него сетками, отражателя, источников ускоряющего напряжения и напряжения отражателя. В диапазоне СВЧ время пролета электронов в электровакуумном приборе становится соизмеримым с периодом СВЧ колебаний. Эта особенность используется в клистроне, в котором происходит динамическое управление электронным потоком, то есть управление скоростями полета отдельных электронов эмитированных раскаленным катодом. Электронный поток пронизывает промежуток между сетками резонатора. В результате флуктуаций потока электронов в резонаторе на резонансной частоте наводится слабое СВЧ напряжение . Это напряжение, возникшее в результате флуктуаций, будет изменять скорость электронов в промежутке между сетками резонатора. Электроны получают приращение по скорости и энергии

, (6.33)

Где - напряжение между катодом и резонатором. Когда , скорость электронов возрастает, когда - скорость падает. За пределами резонатора в пространстве дрейфа более быстрые электроны начинают догонять более медленные электроны, в результате чего образуются сгустки и разрежения электронов, и модулированный по скорости электронный поток превращается в поток электронов, модулированный по плотности. Эти сгустки электронов (импульсы тока) попадают в тормозящее поле отрицательно заряженного отражателя, которое поворачивает электроны обратно и они снова пролетают через зазор между сетками объемного резонатора. Если они пролетают между сетками, когда на сетках имеется напряжение, препятствующее их движению, то электроны отдают энергию СВЧ колебаниям в резонаторе, увеличивая их амплитуду. Электроны, ускоренные напряжением на сетках, получают энергию от поля резонатора. Если пучок электронов однородный, то в среднем за целое число периодов колебаний в резонаторе нет отдачи энергии потока электронов высокочастотному полю резонатора. В пространстве между резонатором и отражателем промодулированные по скорости электроны группируются по плотности в неоднородный поток электронов, состоящий из сгустков и разрежений. Если время нахождения электронов в пространстве между и резонатором таково, что сгустки электронов тормозятся высокочастотным полем резонатора, а разрежения электронов ускоряются, то будет происходить передача энергии электронного потока полю резонатора. Таким образом, происходит генерация СВЧ колебаний, за счет образовавших электронный поток источников постоянного напряжения. Время пролета электронов между сетками можно регулировать в небольших пределах изменением напряжений на отражателе и ускоряющем электроде. Энергия СВЧ колебаний из резонатора выводится с помощью связанной с коаксиальной линией или волноводом петли, которую пронизывают магнитные силовые линии высокочастотного поля резонатора. Мощность отражательных клистронов составляет от единиц милливатт в миллиметровом диапазоне до единиц ватт в сантиметровом диапазоне. В экспериментальной физике клистроны широко применяются в качестве источников высокочастотных колебаний в спектрометрах электронного парамагнитного резонанса.

Более высокие уровни мощности СВЧ колебаний получают при помощи пролетных клистронов, которые содержат два резонатора. В первом резонаторе существует электромагнитное поле, возбуждаемое волной, поступающей по коаксиальной линии, связанной с резонатором петлей связи. При этом между сетками резонатора возникает напряжение и происходит модуляция электронного потока по скорости. В пространстве между двумя резонаторами - в пространстве дрейфа – “быстрые” электроны догоняют “медленные” электроны. Происходит модуляция электронного потока по плотности, в результате чего возникают сгустки и разрежения электронов. Электронные сгустки, пронизывая второй резонатор, возбуждают в нем мощные колебания, которые через петлю связи и вторую коаксиальную линию отводятся в антенну. Двухрезонаторные клистроны применяют для усиления в передатчиках СВЧ. В физических исследованиях пролетные клистроны применяются в качестве источников высокочастотного напряжения для линейных ускорителей заряженных частиц.

По режиму работы различают пролетные клистроны, работающие в импульсном и непрерывном режиме. Частота следования импульсов обычно от десятков до тысяч герц, а длительность импульсов – от долей микросекунды до миллисекунд. Мощность в импульсе составляет от 10 кВт до 100 МВт и выше. Для режима непрерывной работы мощность в 1000 раз меньше. Приведенные значения мощности относятся к пролетным клистронам дециметрового диапазона. У клистронов сантиметрового диапазона мощности меньше. КПД двурезонаторного пролетного клистрона не выше 20%. Более высоким кпд обладают многорезонаторные пролетные клистроны, у которых первый резонатор является входным, а последний - выходным. Переменное электрическое поле промежуточных резонаторов, соединенных с положительным полюсом источника питания, дополнительно модулирует электронный поток и способствует группированию электронов в более плотные сгустки.

Для генерирования СВЧ колебаний большой мощности предназначены магнетроны. Они применяются в передатчиках радиолокационных станций, в ускорителях заряженных частиц, в печах СВЧ для высокочастотного нагрева. Магнетрон является двухэлектродной лампой, цилиндрический катод которой окружен анодом, выполненным из одного металлического блока. Вакуумное пространство между катодом и анодом называется пространством взаимодействия. В теле анода сделаны симметрично расположенные цилиндрические отверстия, представляющие собой объемные резонаторы, соединенные щелями с пространством взаимодействия, как показано на рис.6.21.Щель выполняет функцию конденсатора.

На ее поверхностях образуются переменные электрические заряды, а в самой щели возникает электрическое поле. Индуктивностью резонатора служит цилиндрическая поверхность отверстия, которая эквивалентна одному витку, сделанного из ленточного проводника. Такой резонатор представляет собой нечто среднее между колебательной системой с сосредоточенными параметрами и четвертьволновой резонансной линией. Все резонаторы магнетрона сильно связаны друг с другом, так как переменный магнитный поток одного резонатора замыкается через соседние резонаторы.

описание: магнетронанодкатодописание: магнетронрезонаторы

Рис.6.21.Устройство магнетрона

Анод магнетрона имеет высокий положительный потенциал относительно катода. Между анодом и катодом создается ускоряющее поле, силовые линии которого расположены радиально. Вдоль оси магнетрона действует сильное постоянное магнитное поле, создаваемое магнитом, между полюсами которого располагается магнетрон. В результате совместного действия электрического и перпендикулярного к нему магнитного полей на потоки электронов в магнетронах возникает генерация колебаний высокой частоты.

В отсутствие магнитного поля электроны перемещаются от катода к аноду по радиусам. Постоянное магнитное поле, приложенное вдоль оси цилиндрического катода, искривляет траектории электронов. Так как скорость электронов постепенно нарастает, то радиус искривления постепенно увеличивается и траектория электронов будет сложной кривой. На рис.6.22 показаны траектории электрона, вылетевшего из катода с малой начальной скоростью, для разных значений магнитной индукции . Для упрощения анод изображен без щелей.

описание: магнетронсиловыелиниивсе

Рис.6.22. Влияние магнитного поля на траекторию электронов в магнетроне.

Если , то электрон летит по радиусу 1. При магнитной индукции, меньшей некоторого критического значения , электрон попадает на анод по траектории 2. При электрон пролетает по траектории 3, почти касаясь анода, и возвращается на катод. Если , то электрон пролетает по еще более крутой траектории 4. Магнетроны работают при магнитной индукции несколько большей критической. Поэтому электроны при отсутствии колебаний пролетают близко от поверхности анода, но на различных расстояниях, так как при вылете из катода они имеют различную начальную скорость. При этом вокруг катода вращается объемный заряд в виде кольца. Когда электронный поток впервые начинает вращаться вблизи щелей резонаторов (например, при первом включении анодного питания), то в резонаторах появляются импульсы наведенного тока и возникают затухающие колебания. Возбуждение колебаний в одном из резонаторов приводит к возникновению колебаний в остальных резонаторах. Создаваемое резонаторами высокочастотное электрическое поле взаимодействует с потоком электронов в пространстве анод-катод. При определенных значениях магнитного поля и напряжения на аноде круговой поток электронов будет тормозиться и отдавать энергию высокочастотному полю резонаторов. Взаимодействие электронов с переменным электрическим полем резонаторов таково, что при правильном режиме электронный поток отдает полю больше энергии, чем отбирает от него. Это и способствует превращению возникших в резонаторе колебаний в незатухающие колебания. Частота колебаний зависит от числа резонаторов, величины магнитной индукции и анодного напряжения. Обычно магнитная индукция составляет величину от 0,1 до 0,5 Тесла.

Для импульсной работы в дециметровом диапазоне магнетроны строят на мощность в десятки тысяч киловатт, а в сантиметровом – в тысячи киловатт. В самых мощных магнетронах анодное напряжение в импульсе достигает десятков киловольт, а анодный ток – сотен ампер. Магнетроны для непрерывного режима работы имеют мощность в десятки киловатт на дециметровых волнах и в единицы киловатт - на сантиметровых. КПД мощных магнетронов может составлять до 70% при работе в дециметровом диапазоне и 30-60% в сантиметровом диапазоне. Вывод энергии из магнетрона осуществляется петлей связи, помещенной в один из резонаторов.