Создание экспериментальной установки для измерения параметров отражательного клистрона К-33

Генераторы СВЧ - излучения

Любой электронный СВЧ - прибор представляет собой преобразователь подводимой к нему энергии в энергию электромагнитных колебаний определенной частоты с помощью управляемого электронного потока. В большинстве используемых в СВЧ - энергетике приборов в электромагнитные колебания преобразуется энергия постоянного электрического тока.

Все электронные СВЧ - приборы подразделяют на генераторы с самовозбуждением (автогенераторы) и усилители. Для обеспечения работы генератора к нему достаточно подвести энергию от источника электропитания, в то время как для работы усилителя необходим еще первичный источник высокочастотных колебаний (задающий генератор).

Для электронных СВЧ - приборов наиболее важными показателями являются выходная мощность, полный КПД, напряжение питания, рабочая температура, коэффициент усиления, уровень вблизи рабочей частоты.

Полный КПД электронного прибора определяется выражением:

,

где  - выходная мощность прибора;

 - входная мощность прибора

 - мощность источника электропитания.

Коэффициент усиления по мощности определяется соотношением:

Этот показатель выражается в децибелах и позволяет отдельно учесть затраты мощности на генерацию входного сигнала, необходимого для работы усилителя.

Величину шумов принято оценивать отношением полной выходной мощности излучения к мощности, излучаемой в полосе рабочих частот . Уровень шумов также выражается в децибелах и характеризует потери полезной мощности прибора, связанные с ее рассеянием за пределами рабочей частоты.

Остальные показатели в специальных пояснениях не нуждаются.

К электронным приборам СВЧ предъявляют следующие основные требования:

• высокие значения полного КПД и коэффициента усиления;
• низкий уровень шума
• высокая надежность, и длительный ресурс работы;
• компактность, низкая удельная масса и стоимость.

С точки зрения обеспечения высокой стабильности рабочей частоты и синфазности большого числа одновременно работающих приборов усилители СВЧ имеют определенное преимущество перед автогенераторами, заключающееся в том, что они могут возбуждаться от одного общего первичного источника колебаний.

В системах в генераторах СВЧ применяются электронные приборы двух основных классов - электровакуумные и полупроводниковые.

Работа электровакуумных приборов основана на взаимодействии электронных потоков с электрическим полем в вакууме. 

Из числа электровакуумных приборов в качестве наиболее перспективных рассматриваются магнетроны, амплитроны и клистроны.

Клистрон относится к приборам СВЧ так называемого О-типа, в которых происходит преобразование кинетической энергии электронов, движущихся в пространстве между катодом и коллектором, в энергию СВЧ-поля в результате торможения электронов полем, создаваемым в зазорах колебательной системы. Магнитное поле используется в клистронах только для фокусировки электронного потока и на процесс преобразования энергии принципиального влияния не оказывает.

В генераторах СВЧ могут применяться клистроны двух типов — пролетные и отражательные. Для преобразования постоянного тока в излучение СВЧ в лабораторных измерительных генераторах чаще всего используют генераторные отражательные клистроны.

Среди полупроводниковых диодов, используемых в схемах СВЧ генераторов можно выделить:

• туннельный диод;
• диод Ганна;
• лавинно-пролетный диод.

Эквивалентные модели этих приборов можно представить в виде нелинейной реактивной и отрицательной активной проводимости. Благодаря последней, при подключении такого прибора к резонатору, возможна генерация или усиление СВЧ колебаний с частотой, определяемой из соотношения , где  - время пролета носителей заряда - электронов или дырок - в пролетной части полупроводниковой структуры.

Процессы усиления и генерации СВЧ колебаний сопровождаются двумя характерными явлениями. Первое связано с модуляцией потока носителей заряда по скорости и плотности (или только по плотности). В результате происходит синхронное изменение частот колебаний потока и электромагнитного поля, а также обмен энергией между ними. В этом равенстве или кратности частот колебаний потока и поля и заключается соблюдение принципа синхронизма. Однако соблюдения одного принципа синхронизма недостаточно, поскольку генерация и усиление ВЧ и СВЧ колебаний, сопровождающиеся передачей энергии от потока полю, возможны только при торможении носителей заряда электромагнитным полем. Иначе говоря, перемещение носителей заряда под воздействием высокочастотного поля должно быть противоположно их движению за счет постоянного поля. В этом и заключается сущность принципа фазировки. Для его соблюдения необходимо иметь определенную разность фаз между векторами, характеризующими поток и поле, или между током , наведенным во внешней цепи, и напряжением  на электродах прибора. При торможении носителей заряда полем ток  и напряжение  должны находиться в противофазе.

В полупроводниковых приборах СВЧ - диапазона преобразование энергии постоянного тока в энергию СВЧ - колебаний происходит в твердом теле, масса и размеры которого, как правило, очень малы, а физические свойства весьма чувствительны к температуре и токовым параметрам.

Это ограничивает мощность полупроводниковых приборов величинами порядка единиц ватт, их допустимая рабочая температура не превышает 200°С, а напряжение постоянного тока - десятки вольт. Кроме того, приборы этого класса более чувствительны к воздействию эксплуатационных факторов, чем электровакуумные приборы.

Тем не менее, полупроводниковые приборы получают все более широкое развитие и применение в технике СВЧ и рассматриваются как серьезная альтернатива электровакуумным приборам малой и средней мощности для использования в измерительных СВЧ - генераторах.

Обусловлено это такими их важными достоинствами, как высокие надежность и долговечность, компактность, сравнительно низкая стоимость при массовом производстве, удобство сборки и, что особенно существенно, хорошая совместимость с низковольтными источниками питания.

Всего 14 источников