книги из ГПНТБ / Брандт, А. А. Плазменные умножители частоты

влияние оказывает размер R, который необходимо мак­ симально сокращать для уменьшения длительности про­ цессов установления.

Рассмотрим кратко процессы, происходящие при выключении источника переменного напряжения. Здесь также можно выделить два процесса: 1) разрушение слоя за счет разряда емкости варактора током насыще­ ния ионов на первый электрод /,„ь которое происходит за время

фективному обмену энергиями между электронами. Вре­ мя релаксации энергии при электрон-электронных соуда­ рениях определяется по формуле [112]

впределах 1—20.

Сцелью проверки данных предположений, а также для выяснения причин уменьшения эффективности пре­ образования плазменных умножителей в импульсном ре­ жиме, которое следует из опубликованных данных, была проведена серия экспериментов по исследованию про­ цессов установления стационарных характеристик плаз­ менного варактора.

Ввиду того, что импульсный метод исследования переходных процессов требует создания мощного импульс­ ного генератора, у которого и мощность и длительность импульсов должны изменяться в широких пределах при сохранении достаточно хорошей формы импульсов, был использован метод кратковременного выключения мощ­ ности СВЧ-генератора, работающего в непрерывном ре­ жиме, или метод «щели». Измерения были выполнены при работе варактора на согласованную нагрузку с от­ ветвлением части сигнала в систему индикации.

Выключение генератора основной частоты осуществ­ лялось подачей отрицательных запирающих импульсов от импульсного генератора на сетки ламп высокочастот­ ного генератора. Генерация срывалась при амплитуде импульса отрицательного напряжения около 20 в, однако для обеспечения достаточной крутизны фронтов на сетки ламп подавался импульс с амплитудой до 100 в, что дало возможность получить длительность фронтов включения и выключения генерации не более 0,1 мксек.

Измеренное на выходе тракта без плазмы относитель­ ное содержание паразитной мощности гармоник от гене­ ратора составляло для второй гармоники 3-10-2% и для четвертой н пятой 3-10~5%, что на несколько порядков меньше измеренных для тракта с плазмой в варакторе.

Для образования плазмы в варакторе использовался воздух, причем разрядная камера находилась под непре­ рывной’ откачкой форвакуумным насосом, в силу чего постоянное давление устанавливалось п поддерживалось достаточно точно в течение продолжительного времени, необходимого для измерений.

Зависимость времени задержки момента установле­

192 АНАЛИЗ РАБОТЫ ПЛАЗМЕННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. III

1,7 мксек, для третьей гармоники — 2,9 мксек при давле­ нии в разрядной камере 0,04 тор. Оценки по формуле (190) для тех же условий дают 1,3 мксек, 1,6 мксек, 2,1 мксек соответственно, что говорит об удовлетвори­ тельном согласии расчета с результатами эксперимента.

2) быстрый рост времени задержки от нуля до стацио­ нарного значения при т„Ы11Л< 4 мксек, 3) отсутствие за­ держки для основной частоты, когда т„ыкп< 1 мксек, а для второй гармоники, когда т„ЬШл<0,5 мксек.

Из отмеченного следует, что время полного разруше­ ния условий для прохождения излучения на основной

ции функции распределения электронов за счет электронэлектронных столкновений при тех же условиях дает около 3 мксек, что также хорошо согласуется с измерен­ ными значениями.

большими потерями излучения и слабой'нелинейностью варактора.

Улучшения переходных характеристик плазменного умножителя можно добиться понижением давления га­ за, уменьшением его температуры и уменьшением раз­ рядного объема, т. е. ускорением процесса демаксвеллизации функции распределения электронов по скоростям во всем разрядном объеме.

§ 8. Конструктивные особенности плазменных умножителей

В связи с отмеченными выше особенностями работы умножителя на нелинейной емкости плазменного варак­ тора при конструировании умножителя частоты следует учитывать дополнительные требования. Прежде всего это относится к выбору элементов СВЧ-тракта, в кото­ рый включается плазменный варактор. Как уже отмеча­ лось, максимальная относительная мощность второй гармоники в выходном излучении плазменного варакто­ ра составляет не более 25%, как это видно из рис. 88. При этом оставшаяся часть мощности приходится в ос­ новном иа излучение на основной частоте.

Поэтому для увеличения эффективности преобразо­ вания (до 40—50%) и для предотвращения проникнове­ ния излучения основной частоты на выход умножителя непосредственно за плазменным варактором устанавли­ вается режекторный фильтр, отражающий излучение ос­ новной частоты и беспрепятственно пропускающий из­ лучение частоты гармоники. Для коаксиального умно­ жителя на вторую гармонику удобно применять разомк­ нутый на конце отрезок коаксиальной линии с длиной, равной четверти длины волны излучения на основной частоте. Такой отрезок не вносит искажений в распрост­ ранение гармоники, так как его длина равна половине длины волны гармоники.

Перед входом варактора необходимо установить пе­ рестраиваемый трансформатор нмпедансов для согласо­ вания волнового сопротивления варактора, которое мо­ жет оказаться достаточно малым, с волновым сопротив­ лением СВЧ-тракта. Подстройка трансформатора необ­ ходима, если в процессе работы изменяется входная

196 АНАЛИЗ РАБОТЫ ПЛАЗМЕННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. III

Для изменения постоянной составляющей напряже­ ния между электродами применялась дополнительная цепь с переменным сопротивлением и небольшим источ­ ником постоянного напряжения.

При генерации плазмы СВЧ-излучением основной частоты необходимо максимально развязывать цепи, участвующие в создании плазмы и в генерации гармо­ ники, поскольку для создания плазмы с максимальной концентрацией требуется обеспечить условия макси­ мальности поглощенной в варакторе мощности, а для эффективной генерации гармоники поглощенная мощ­ ность должна быть минимальной. Наиболее целесооб­ разно при осутствии достаточно мощных генераторов (на­ пример, при создании умножителей миллиметрового диапазона) применять способы, основанные на создании плазмы с помощью постороннего источника. В этом слу­ чае обеспечивается полная развязка цепей, участвую­ щих в генерации гармоники и в создании и поддержа­ нии плазмы нужной концентрации.

Одним из таких источников плазмы может служить разряд на постоянном токе в парах ртути или щелочных металлов, однако при этом трудно обеспечить независи­ мое изменение постоянной составляющей напряжения

стота столкновений электронов плазмы близка к часто­ те высокочастотного поля. Поскольку всегда можно выб­ рать высокочастотный источник плазмы, у которого частота много меньше частоты умножаемого сигнала, то легко обеспечиваются условия для эффективной генера­ ции гармоники в плазменном умножителе.

Остальные элементы плазменного умножителя ука­ заны на рис. 5 и конструируются исходя из требований, предъявляемых к параметрам плазменного умножите­ ля, его диапазона, входной мощности и других особен­ ностей.

Как уже отмечалось выше, наиболее удобной конст­ рукцией плазменного варактора является коаксиальная.

§ 8] КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ УМНОЖИТЕЛЕЙ 197

Однако при коструировании умножителей в коротковол­ новом диапазоне возможно использование волноводных или полосковых линий, разработка плазменных варак­ торов на которых не представляет непреодолимых труд­ ностей.

Остановимся теперь вкратце на конструктивных осо­ бенностях плазменных варакторов коаксиального типа. Выше был проведен расчет, подтвержденный экспери­ ментально, из которого следует, что оптимальная длина плазменного варактора должна быть равна половине длины волны излучения гармоники в свободном прост­ ранстве. Однако, как видно из рис. 88, не очень большой

жет даже компенсироваться уменьшением мощности, поглощенной варактором меньшей длины.

Диаметр центрального электрода необходимо по воз­ можности делать маленьким — для уменьшения волно­ вого сопротивления обедненного слоя. Однако чрезмер­ ное уменьшение диаметра центрального электрода мо­ жет привести к росту потерь мощности или к разруше­ нию электрода под действием ионной бомбардировки. Кроме того, крепление и центровка тонкого централь­ ного электрода вызывает дополнительные конструктив­ ные трудности. Поэтому при больших входных мощно­ стях (более 100 вт) нет смысла применять центральные электроды диаметром менее 0,5 мм. В наших установках эффективность преобразования практически не изменя­ лась при использовании электродов с диаметром, мень­ шим 1 мм.

Ограничение на диаметр внешнего электрода накла­ дывает в основном длительность процессов установле­ ния стационарных характеристик, рассмотренных в § 7 настоящей главы. Если же система работает в непре­ рывном режиме, то ограничение на диаметр внешнего электрода накладывает необходимость уменьшения объе­ ма плазмы в разрядной камере. Минимальный диаметр внешнего электрода ограничивается при этом условиями возникновения и поддержания СВЧ-разряда, или — если плазма создается дополнительным источником — усло­ вием малости максимальной толщины обедненного слоя по сравнению с радиусом внешнего электрода. Послед­

198 АНАЛИЗ РАБОТЫ ПЛАЗМЕННЫХ УМНОЖИТЕЛЕЙ [ГЛ. III

нее требование равносильно условию отсутствия влияния

Было установлено, что легким газам соответствует наи­

потенциала ионизации в ксеноне устанавливается более высокая концентрация с наименьшей температурой элект­ ронов, в связи с чем и характеристики плазменного ва­ рактора на ксеноне оказываются иаилучшнми.

Инертные газы в разрядной камере следует приме­ нять также в связи с тем, что они не вступают в химиче­ ские реакции с материалом стенок и поэтому значитель­ но дольше сохраняются в разрядном объеме. В некото­ рых случаях целесообразно применять пары металлов, обладающие значительно более низким потенциалом ионизации.

Выбор давления газа существенно зависит от режи­ ма работы плазменного варактора. Если используется посторонний источник создания и поддержания плазмы, то давление газа необходимо выбирать как можно бо­ лее низким — для уменьшения потерь, связанных со столкновениями электронов. При использовании СВЧ-раз- ряда от генератора основной частоты должны обеспечи­ ваться условия, необходимые для получения плазмы нужной концентрации. В этом случае при небольшой мощности генератора основной частоты давление газа должно быть таково, чтобы частота столкновений элект­ ронов была близка к частоте генератора. При этом при­ ходиться мириться со значительными потерями излуче­ ния основной частоты и более низкой эффективностью преобразования.

Отсутствие мощных генераторов предъявляет особые требования к конструированию плазменных умножите­ лей миллиметрового диапазона.

Перечислим некоторые основные особенности умно­ жителей миллиметрового диапазона, вытекающие глав-

иым образом из необходимости создания плазмы высо­ кой концентрации:

1.Применение вместо протяженных конструкции (на­ пример, коаксиальных) точечных, обеспечивающих наи­ большую концентрацию СВЧ-поля в малом объеме.

2.Использование малых разрядных камер, ограни­ чивающих объем создаваемой плазмы.

3.Увеличение давления газа с целью увеличения ча­ стоты столкновений электронов и предотвращения ра­

стекания плазмы.

4. Работа в режиме больших отраженных от плаз­ менного варактора мощностей-—для выполнения усло­ вий существования стабильного СВЧ-разряда.

При невозможности создания этими методами плаз­ мы с достаточной концентрацией следует применять до­ полнительные источники, создающие плазму.

В заключение несколько слов о выборе материалов для плазменного варактора. Поскольку центральный электрод в коаксиальном плазменном варакторе под­ вергается интенсивной ионной бомбардировке, для его изготовления следует использовать тугоплавкий и мало испаряющийся в вакууме материал. Наиболее подходя­ щим для этого является вольфрам. Условия работы внешнего электрода более легкие, поэтому его можно выполнять, например, из молибдена или другого, приме­ няющегося в вакуумной технике металла. Возможно ис­ пользование тонких покрытий из стекла для защиты по­ верхностей электродов. Однако применение диэлектри­ ческих покрытий создает дополнительные трудности.