48. ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ В ЛАМПАХ
Усилительный каскад характеризуется коэффициентом усиления по мощности К, показывающим, во сколько раз усиливается мощность: К= Рвых / Рвх, где Рвых-полезная мощность, отдаваемая лампой, а Рвх – мощность, подводимая ко входу лампы.
При малом значении входного сопротивления мощность может настолько возрасти, что коэффициент станет равен единице или будет еще меньше. Очевидно, нецелесообразно применять усилители, дающие усиление мощности меньше чем в 2–3 раза. С переходом на СВЧ входное сопротивление обычных ламп резко уменьшается и усиление мощности получается малым или даже отсутствует. Уменьшение входного сопротивления ламп на СВЧ объясняется возникновением наведенных токов в цепи сетки.
В зависимости от соотношения времени пролета и периода колебаний, соотношения расстояний участков "катод – сетка" и "сетка – анод" величины напряжений на электродах процессы в триоде могут происходить различно, но все же в любом случае из-за проявления инерции электронов на СВЧ получаются большие наведенные токи в цепи сетки, приводящие к резкому уменьшению входного сопротивления.
Самое неприятное следствие инерции электронных процессов состоит в появлении активной составляющей сеточного тока. Оно обусловливает наличие у лампы входного активного сопротивления, которое уменьшается с повышением частоты и снижает коэффициент усиления по мощности. Активное входное сопротивление лампы характеризует потерю энергии источника колебаний, включенного в цепь сетки. В данном случае эта энергия переносится активной составляющей наведенного тока от источника колебаний к электрическому полю и передается электронам, которые увеличивают свою кинетическую энергию и расходуют ее на нагрев анода. Если же 1 лампа работает на более низких частотах и временем пролета можно пренебречь, то при напряжении сетки токи будут иметь такую же прямоугольную форму и длительность, как и напряжение, и они не будут сдвинуты по времени относительно друг друга. Поскольку эти токи равны и противоположны по направлению, то суммарный сеточный ток равен нулю. Следовательно, никакого расхода энергии от источника колебаний в этом случае нет.
При синусоидальном переменном напряжении все процессы происходят сложнее, но на СВЧ обязательно возникнет активный наведенный ток в цепи сетки, на создание которого расходуется энергия источника колебаний. Эта энергия в конечном итоге теряется на дополнительный нагрев анода и катода конвекционным током. Действительно, положительная полуволна сеточного напряжения, ускоряя электроны, летящие от катода, дает им дополнительную энергию, а во время отрицательного полупериода сетки отталкивает электроны, движущиеся к аноду, и они тоже получают дополнительную энергию. В результате электроны бомбардируют с большей силой анод, который дополнительно нагревается. Кроме того, электроны, не пролетевшие сквозь сетку, а повернувшие обратно на катод, также отталкиваются сеткой во время отрицательного полупериода и получают еще дополнительную энергию. Эти электроны бомбардируют дополнительный катод и вызывают его дополнительный нагрев. Таким образом, источник колебаний в течение всего периода отдает энергию электронам, а они расходуют ее на бомбардировку анода и катода.
Потери энергии в лампах, работающих на СВЧ, происходят не только из-за инерции электронов, но и по ряду других причин.
Вследствие поверхностного эффекта увеличивается активное сопротивление электродов и их выводов. По поверхности металлических проводников проходят значительные токи, которые создают бесполезный нагрев.
На СВЧ увеличиваются потери во всех твердых диэлектриках, находящихся под воздействием переменного электрического поля.
49. ПРОЛЕТНЫЙ КЛИСТРОН
Для сантиметровых волн успешно применяются клистроны, работа которых основана на изменении скорости электронного потока.
В этих приборах значительное время полета электронов не вредно, а необходимо для нормальной работы прибора. Клистроны бывают пролетные (двух-резонаторные и многорезонаторные), пригодные для генерации и усиления колебаний, и отражательные (однорезонаторные), работающие только в качестве генераторов.
Электронный поток от катода к аноду проходит через две пары сеток, представляющих собой части стенок двух объемных резонаторов. Первый резонатор служит входным контуром. К нему с помощью коаксиальной линии и витка связи подводятся усиливаемые колебания с частотой. Его сетки образуют модулятор, в котором происходит модуляция скорости электронов.
Второй резонатор служит выходным контуром для усиления колебаний. Их энергия отбирается с помощью витка связи и коаксиальной линии. На оба резонатора и на анод подано положительное напряжение, создающее между сеткой и катодом ускоряющее поле, под влиянием которого электроны влетают в модулятор со значительной начальной скоростью.
Если в первый резонатор вводятся колебания, то между сетками существует переменное электрическое поле, которое действует на электронный поток и изменяет (модулирует) его скорость. В тот полупериод, когда на второй сетке имеется положительный, а на первой сетке отрицательный потенциалы, поле между сетками будет ускоряющим и электроны, проходящие модулятор, получают добавочную скорость.
Электроны, имеющие большие скорости, догоняют электроны, движущиеся с меньшими скоростями, в результате чего электронный поток разбивается на отдельные более плотные группы электронов – электронные сгустки. То есть благодаря модуляции электронного потока по скорости в пространстве группирования получается модуляция этого потока по плотности.
Группируются лишь электроны, пролетающие через модулятор во время одной половины периода. Хорошее группирование возможно только в случае, если изменение скорости электронов под влиянием модулирующего переменного поля незначительно по сравнению со скоростью, которую они получили от постоянного ускоряющего напряжения. Поэтому переменное напряжение между сетками резонатора должно быть значительно меньше, чем постоянное напряжение. Группирование электронов в сгусток повторяется в течение одной половины периода.
После точки наибольшего сгущения электронного потока электроны снова расходятся.
Электронные сгустки пролетают через второй резонатор тогда, когда электрическое поле в нем тормозящее. Пролетевшие второй резонатор электроны попадают на анод и нагревают его. Часть электронов попадает и на сетки резонаторов.
Если бы электронный поток не был модулированным, то он не мог бы поддерживать колебания во втором резонаторе.
Двухрезонаторные клистроны применяют в качестве усилителей в передатчиках СВЧ, причем их полезная мощность в режиме непрерывной работы может быть до десятков киловатт, а импульсный режим – до десятков мегаватт. При укорочении длины волны мощность передатчиков уменьшается.
Для усиления слабых сигналов в приемниках клистроны малопригодны, так как они создают большие собственные шумы.
50. ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ И ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ
Недостатки, свойственные клистрону, устраняются в лампе бегущей волны (ЛБВ). Усиление и КПД в ЛБВ могут быть значительно выше, чем в клистроне. Это объясняется тем, что электронный поток в ЛБВ взаимодействует с переменным электрическим полем на большом участке своего пути и отдает значительную часть своей энергии на создание усиленных колебаний. Электронный поток в ЛБВ гораздо слабее, чем в клистроне, и поэтому уровень шумов сравнительно невелик. Полоса частот может быть очень большой, так как в ЛБВ нет никаких колебательных систем. Ширина полосы частот ограничивается не самой лампой, а различными дополнительными устройствами, служащими для связи лампы с внешними цепями и для согласования отдельных элементов этих дополнительных устройств между собой. Лампы бегущей волны для частот порядка тысяч мегагерц имеют полосу частот пропускаемых колебаний порядка сотен мегагерц, что вполне достаточно для радиолокации и всех видов современной радиосвязи. ЛБВ устроены так. В левой части удлиненного баллона помещен электронный прожектор, имеющий подогревный катод, фокусирующий электрод и анод. Электронный луч, созданный электронным прожектором, проходит далее внутри проволочной спирали, играющей роль внутреннего провода коаксиальной линии. Наружным проводом этой линии служит металлическая трубка. Спираль укреплена на специальных изоляторах. Фокусирующая катушка, питаемая постоянным током, служит для сжатия электронного луча по всей его длине. Вместо катушки для фокусировки могут быть применены также постоянные магниты. Так как магнитные фокусирующие системы очень громоздки, то разработаны электростатические способы фокусировки электронного луча в ЛБВ, т. е. фокусировка с помощью электрического поля.
В ЛБВ для более коротких сантиметровых волн спираль заменяют замедляющими системами других типов, так как трудно изготовить спираль очень малых размеров. Эти замедляющие системы представляют собой волноводы сложной зигзагообразной конструкции или имеющие стенки в виде гребенок. Вдоль таких волноводов электронный луч пропускается по прямой линии, а электромагнитная волна распространяется с пониженной скоростью. Подобные замедляющие системы применяют также в мощных ЛБВ, так как спираль не может выдержать рассеяния в ней большой мощности.