|
| |
  |
Теория строительства Книги и журналы ных источников питания, особенно на миллиметровых волнах: по цепи резонатора 250.,.350 В при токе 40...50 мА на сантиметровых волнах и500...2000В притоке 15...25 мА на миллиметровых волнах; по цепи отражателя (электронной настройки частоты) 100...350 В практически без потребления тока. Нестабильность напряжений отр и t/фок должна быть не более 0,1 %. Требования к стабильности напряжений возрастают с укорочением длины волны, поскольку увеличивается влияние изменений напряжений на генерируемую частоту. Лампы обратной волны Маломощные ЛОВ во многих случаях, особенно на милллиметро-вых волнах, являются самыми широкодиапазонными гетеродинами с чисто электрической перестройкой частоты. У ЛОВ рабочий диапазон частот равен диапазону электрической перестройки Afr ==   Рис. 8.12. Схема устройства ЛОВ с магнитной (а) и периодической электростатической (б) фокусировкой: / - фокусирующий электрод: 2 -анод; 3 - замедляющая система; 4 -постоянный маг-ннт; 4 - согласованная нагрузка; 6 - коллектор; 7 - волновоДный вывод энергии. Принцип действия ЛОВ (рис. 8.12) основан на передаче энергии электронного луча электромагнитной волне, возбуждаемой в области нагрузки 5 и распространяющейся вдоль замедляющей системы навстречу движению электронов луча. По способу фокусировки электронного пучка различают ЛОВ с магнитной (ЛОВ-МФ) и электростатической (ЛОВ-ЭФ) фокусировками. Важным преимуществом ЛОВ-ЭФ перед ЛОВ-МФ являются значительно меньшие габариты и масса (рис. 8.13). Масса ЛОВ-ЭФ - 300...600 г, а ЛОВ-МФ - 3...5 кг. Частота/г генерируемых ЛОВ колебаний зависит от напряжения на замедляющей системе, называемого поэтому управляющим (t/ynp). Изменяя это напряжение в широких пределах, получают широкодиапазонную электрическую перестройку частоты. Диапазон электрической перестройки частоты ЛОВ составляет /эл7го = 20...60%. В пределах диапазона перестройки Д/дд наблюдаются значительные перепады генерируемой мощности, дости- гающие величины Р 358 г вых шах/-г вых min = 5.,,10 дБ. Минимальная -Таблица 8.3
выходная мощность ЛОВ в диапазоне перестройки Рг вых mm составляет от 5-10 мВт на коротких миллиметровых волнах до десятков и сотен милливатт на сантиметровых. Крутизна электрической перестройки находится в пределах от единиц до десятков мега-  " Рис. 8.13, Общий вид ЛОВ сантиметровых волн с магнитной (а) и электростатической (б) фокусировкой. герц на вольт. ЛОВ имеет приблизительно такой же уровень амплитудного шума, как и в отражательных клистронах соответствующего диапазона волн, а уровень частотного шума несколько выше, чем у клистронов. ТКЧ ЛОВ приблизительно равен величине ТКЧ отражательных клистронов того же диапазона волн. Предельные параметры гетеродинных ЛОВ приведены в табл. 8.3. Источники питания ЛОВ подобны источникам питания клистро нов. В отличие от последних напряжение управления частотой в ЛОВ является более высоковольтным, чем в клистронах, изменяется в более широких пределах и, что особенно существенно, ток потребления по этой цепи довольно значителен и составляет 20-50 мА. Генераторы на диодах Ганна Генераторы па диодах Ганна (ГДГ) представляют собой новейший тип полупроводниковых генераторов СВЧ, разработка и практическое применение которых находятся еще в стадии развития. Актив- ным элементом ГДГ является диод Ганна (ДГ), работа которого основана на использовании объемного эффекта в полупроводнике, т. е. процессов, происходящих во всем объеме полупроводника, а не в каком-либо его узком слое, В отличие от других типов СВЧ диодов структура ДГ не содержит р - п-перехода и представляет собой тонкую пластинку полупроводника (обычно из GaAs п-типа), на обе поверхности которой нанесены невыпрямляющие металлические контакты. В диодах Ганна энергия постоянного тока непосредственно преобразуется в СВЧ энергию при приложении к ним постоянного напряжения, большего некоторой пороговой величины (Упор г. Известен ряд режимов, в которых могут работать ДГ. Режим работы зависит от параметров схемы, внешней по отношению к диоду, и от электрофизических параметров диода. Физическая сущность этих режимов работы и области их применения описаны в [7,8]. В так называемом режиме устойчивого отрицательного сопротивления и некоторых других режимах работы ДГ на зажимах диода при определенном напряжении питания (/г > (/пор г возникает отрицательное сопротивление, являющееся источником СВЧ колебаний. Исследование импеданса ДГ в таких режимах показывает, что полупроводниковый элемент диода в СВЧ диапазоне представляет собой отрицательное сопротивление - Rr, зашунтированное некоторой эквивалентной сосредоточенной емкостью Ср. В режиме устойчивого отрицательного сопротивления последнее весьма широкополосно, т. е. существует в широком интервале частот, и имеет величину от нескольких десятков до нескольких сотен ом. Емкость Сг составляет десятые доли пикофа рады. ДГ выпускают обычно в герметичных корпусах, подобных изображенному на рис. 4.35 (вариант I), однако они могут быть и бескорпусными. Эквивалентная схема корпусного ДГ имеет такой же вид, как у ряда других СВЧ диодов (например, смесительных), с тем отличием, что содержит отрицательное сопротивление - Ну вместо положительного сопротивления барьера р - п-перехода. В генераторах на диодах Ганна коаксиально-волноводной конструкции используют как механическую (рис. 8.14), так и электрическую перестройку частоты, в полосковых и микрополосковых - только электрическую. Наиболее распространенным методом такой перестройки является включение варактора в колебательную систему генератора. При эюм габариты генератора увеличиваются незначительно, а управление частотой, как и в отражательных клистронах, происходит практически без потребления мощности. Варактор представляет собой диод с нелинейной емкостью, подобный параметрическому (см. § 5.4, рис. 5.26), но первый обычно имеет большее напряжение пробоя (до нескольких десятков вольт) и выдерживает ббльшую СВЧ мощность. Конструкции и эквивалентные схемы этих диодов аналогичны. Параметрические диоды тоже нередко используют в качестве варакторов для электрической перестройки ГДГ. Варактор включают в состав генератора как регулируемую емкость, величина которой изменяется при изменении обычно отрицательного смещения (Уцв на нем. Таким образом изменяют резонансную частоту колебательной системы и осуществляют электрическую перестройку частоты генератора. Достоинством такого метода перестройки является практически полное отсутствие потребления тока по цепи управления частотой. В схему генератора варактор можно включить параллельно или последовательно с ДГ (рис. 8.15). Колебательная система ГДГ включает в себя все реактивные элементы ДГ (Lnoc г, Сг, С„онг) и  Рис. 8.14. Пример волноводно-коаксиальной конструкции полупроводникового генератора сантиметрового диапазона воли на ДГ или ЛПД: а - продольное сечение; б - общий вид; / - волноводный вывод СВЧ энергии с согласующим ступенчатым переходом; 2 -окно связи резонатора с волноводом (нагрузкоВ): 3 -винт регулировки связи с нагрузкой; 4 -диод; 5 - винт механической перестройки частоты генерации; 6 - коаксиальный резонатор; 7 - коаксиальный четвертьволновый СВЧ дроссель; 8 - вывод диода для подачи напряжения питания и». варактора (LnocB, Спер в), а также настроечно-согласующую секцию, состоящую из отрезка / выходной линии и разомкнутого параллельного шлейфа длиной 1. Цепи СВЧ от цепей постоянного тока развязывают режекторные фильтры РФ. Метод исходной настройки генератора на средней частоте /го и при соответствующем ей некотором среднем напряжении на варак-торе (Уовср основан на следующем. В режиме установившихся колебаний генератора его выходное сопротивление в точках а - а должно быть активным, отрицательным и равным по модулю сопротивлению нагрузки /?н = - Отсюда становится очевидным, что настраивать и согласовывать ГДГ нужно так же, как и смесительную секцию (рис. 7.15, а), описанную в § 7.6. Расстояние / от варактора до шлейфа нужно выбрать таким, при котором модуль активной состав- ляющей выходной проводимости ГДГ равен волновой проводимости линии 1/W, Реактивная же составляющая выходной проводимости ГДГ должна быть скомпенсирована равной ей по величине и обратной по знаку проводимостью шлейфа, откуда и определяется длина шлейфа /щд. Длины отрезков линии / и /шл обычно определяют экспериментально, поскольку основные параметры эквивалентной схемы используемого ДГ (/?г, Сг,/"посг), как правило, неизвестны: в паспортные параметры промышленно выпускаемых ДГ они не входят. согласующая I Настроечно- X J "огр гООк РФ о-Й!-о { Lnoci rpgcS  ном г Т " . j Bapamop Диод Ганна Рис. 8.15. Пример построения эквивалентной схемы генератора на диоде Ганна с последовательным включением варактора для перестройки частоты. Стабилизирующая цепочка R, С. в цепи питания ДГ (рис. 8.15) служит для предотвращения низкочастотных колебаний в цепи источника питания. Резистор /?огр ограничивает ток в цепи варактора до пренебрежимо малой величины. При отрицательном смещении (7оЕ этот ток обусловлен детектированием СВЧ мощности, генерируемой в ГДГ и частично рассеиваемой в варакторе. Разделительный СВЧ конденсатор Сраз (см. § 3.4) изолирует цепи питания варактора по постоянному току от внешней СВЧ цепи ГДГ. Пример конструкции микрополосковой платы ГДГ, выполненного по схеме рис. 8.15, приведен на рис. 8.16. Важным требованием при конструировании ГДГ является обеспечение эффективного теплоотвода от тепловыделяющего вывода диода Ганна (катода). В противном случае подводимая к диоду и рассеиваемая в нем г>ющ-ность постоянного тока = 2...10 Вт ((7„омГ 6...12 В, /р i = = 0,15...1,2А) может привести к недопустимому перегреву или даже выгоранию весьма малого объема полупроводниковой структуры ДГ. В качестве теплоотводящих материалов обычно используют медь или алюминий, при этом стремятся к тому, чтобы поверхность теплоотвода, в качестве которой нередко используют корпус ГДГ, имела достаточное число пазов и ребер. 362 Диапазон электрической перестройки частоты ГДГ, обусловленный изменением емкости варактора ACp в = пер в тах- ~ Сдер в min при изменении напряжения на нем 0, зависит от относительной величины этого изменения емкости: Y ~ (пер в max Сцр j т1п)1{Сцеа в max ~Ь дер в ш In) (8.42) И от степени связи емкости Спрв с колебательным контуром генератора. Эту степень связи можно характеризовать величиной СВЧ  Рис. 8.16, Пример топологической схе.мы и конструкции платы микрополоскового ГДГ с варакторной перестройкой частоты: / - проводящая заземленная поверхность; 2-подложка; 3 - микрополосковые проводники; 4 - диод Ганна в герметичном корпусе; 5 - бескорпусный варактор типа, показанного на рис. 5.24; 6 - СВЧ конденсатор; 7 - медный теплоотвод (припаян к поверх-кости /), в который впаивается тепловыделяющий штырь ДГ; S - пленочный резистор; 9 -пленочная перемычка на корпус по торцу подложки; /О - развязывающий СВЧ ре-жекторный фильтр, состоящий из высокоомных и разомкнутых низкоомных Л/4-отрезков МПЛ (см. рнс. 5,32). мощности Рв, рассеиваемой в сопротивлении г варактора за счет общей мощности Рг, генерируемой диодом Ганна. Таким образом, выходная мощность ГДГ равна Ргвых = Рг - Рв- Зависимость диапазона перестройки от указанных факторов имеет MJho = Y/(l + q), q=P. вых QjPbQb, имеет (8.43) 7эл/гО г* Т V;» - г вых -ни - п, где Р.Рт- Рг вых; Qb = l/rZ-nocBCop в " Добротность ва- рактор!; Q„o - нагружённая добротность контура генератора без учета варактора. 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 52 53 54 55 56 57 58 [ 59 ] 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 |