книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот
..pdfВ. И. СРЕТЕНСКИЙ
ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ
СВОЙСТВА, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОЦЕНКА ПРАВИЛЬНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИБОРОВ СВЧ
С О В Е Т С К О Е |
Р А Д И О * |
МОСКВА— 1933
У.Д. К.621.385.61.
В книге излагаются основы применения электронных приборов сверхвысоких частот (СВЧ). Главное внимание уде ляется вопросам повышения эксплуатационной надежности радиоэлектронной аппаратуры. Обобщается опыт использова ния приборов в режимах, отрицательно влияю щ их на срок службы и стабильность работы.
Дается анализ свойств и технических характеристик большинства распространенных электронных приборов СВЧ и
отмечаются особенности их применения. |
|
|
|||
|
Рассматриваются методы проверки правильности приме |
||||
нения электронных приборов |
СВЧ о аппаратуре, |
включаю |
|||
щие |
оценку |
использованной |
номенклатуры |
приборов, режи |
|
мов |
работы, |
взаимозаменяемости и мер по |
защите |
приборов |
|
в аппаратуре от воздействия внешней среды. |
|
|
|||
В. Н. Сретенский
ОСНОЭЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ
Редакторы |
Т. В. К ук о л е ва, Н . Я • Г ут чина |
||
Обложка художника В. Т. С идоренко |
|||
Технический |
редактор В. В. Б е л я е в а |
||
Сдано D набор 16/III-63 г. |
Подписано в печать 31/VIII-1963 г. |
||
Формат бум. 83Х Ю 8’/м |
Объем 21,84 п. л. |
Уч.-изд. л. 19,216 |
|
Цена в перепл. № |
5— 1 |
р. 10 к. в перепл. № |
7— 1 р. 20 к. |
Г-94651 |
Тираж 15 200 |
Заказ 124 |
|
Типография № 1 Госэнергоиздата. Москва, Шлюзовая наб., 10.
ПРЕДИСЛОВИЕ
За последние годы определились взгляды по основ ным вопросам применения электронных приборов в ап паратуре. Признана важность правильности примене ния электронных приборов, т. е. нахождения наиболее эффективного использования их при удовлетворении требовании, предъявляемых к аппаратуре по электри ческим и эксплуатационным характеристикам.
В связи с этим возникла потребность в разработке специального раздела технической электроники о при менении электронных приборов, охватывающего сово купность задач, решаемых на стыке аппаратура — элек тронный прибор.
Потребность в специальном рассмотрении вопросов применения электронных приборов выявилась около 10 лет назад при создании массовой радиолокационной аппаратуры различного назначения и с каждым годом возрастает в связи со все (Повышающимися требования ми к надежности действия радиоэлектронной аппа ратуры.
В настоящей книге делается попытка обобщить на копленный автором опыт по применению триодов СВЧ, импульсных магнетронов, отражательных клистронов, малошумящих ЛБВ, резонансных разрядников и кри сталлических детекторов и излагаются взгляды на оцен ку правильности применения электронных приборов, в аппаратуре. Кроме того, по имеющимся отечественным и зарубежным литературным данным приводятся техни ческие характеристики и освещаются 'некоторые вопросы применения амплитронов, мощных пролетных клистро нов и ЛБВ, малошумящих параметрических и квантовых усилителей, приобретающих все большее распростра нение.
Изложение основ применения электронных прибо ров СВЧ рассчитано па широкий круг специалистов, занимающихся разработкой, изготовлением и эксплуа тацией радиоэлектронной аппаратуры. По этой причи не в книгу включены краткие сведения о конструкциях и основных характеристиках приборов СВЧ, а также основные понятия теории надежности. Значительное внимание уделено эксплуатационным свойствам элек тронных приборов СВЧ, знание которых необходимо для оценки правильности применения приборов в аппа ратуре и являющихся полезными при определении тре бований к вновь разрабатываемым приборам СВЧ, контролю качества приборов в условиях производства п поддержанию исправности их действия в процессе экс плуатации.
Систематизированное изложение существующего мно гообразия электронных приборов СВЧ по признакам их применения, по мнению автора, будет полезным также студентам институтов при изучении электронных приборов, курсовом и дипломном проектировании ра диотехнических (в первую очередь, радиолокационных) устройств.
Учитывая разносторонние потребности читателя в из лагаемом материале и имеющуюся потребность в боль шем единообразии рассматриваемых технических дан ных, в приложении приведены сведения о международ ной системе единиц СИ, введенной в СССР с 1 января 1963 г., как предпочтительной во всех областях науки и техники, а также графические условные обозначения, используемые в технике СВЧ, и некоторые графики и номограммы, необходимые при проведении работ, свя занных с применением электронных приборов в аппа ратуре.
В настоящей книге вопросы практического примене ния и анализа некоторых результатов исследований эксплуатационных свойств приборов рассматриваются на отдельных типах известных открытых приборов. Основные экспериментальные материалы были получе ны на этих приборах свыше пяти лет назад. Однако, по мнению автора, они могут оказаться полезными и в на стоящее время, так как в обстоятельных работах по
теории электронных приборов СВЧ [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]*, к сожалению, незначительное место отведено экспериментальному обследованию свойств приборов. Известным исключением в этом отношении являются недавно вышедшие в свет монографии [22, 23]*.
В заключение считаю своим долгом отметить, что
в работе над книгой значительную |
помощь в расчетах |
и оформлении рукописи оказана Е. И. Курковой, а в про |
|
веденных экспериментах — В. М. Пивоваровым, Н. С. Бух- |
|
теевой, Н. II. Булатовой, К. В. Дитманом, Л. В. Пан |
|
ченко и В. А. Щедровичем. Полезные советы и крити |
|
ческие замечания при ознакомлении |
с рукописью были |
высказаны В. П. Балашовым, Р. А. Валитовым, И. Е. Ефимовым, С. В. Кукари-ным, Н. П. Кузьмичевым и Ю. Н. Хлоповым.
Ценные предложения по улучшению книги были даны С. И. Бычковым и Е.Д . Науменко, взявшим на себя труд рецензирования рукописи.
Всем товарищам, способствовавшим появлению на стоящей книги, автор выражает большую благодарность.
*Ссылкн па литературу к гл. I.
ГЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Развитие средств связи, радиолокации, систем управления, радиоастрономии, ядерной физики и мно гих других отраслей науки и техники в значительной мере определяется достижениями в области электрон ных приборов сверхвысоких частот, именуемых далее приборами СВЧ.
Технические и эксплуатационные характеристики ра диоэлектронной аппаратуры во многом зависят от элек трических параметров, качества и правильности приме нения приборов СВЧ. Это накладывает большое свое образие на рассмотрение вопросов применения прибо ров СВЧ.
Кроме того, по мере усложне'-яия аппаратуры и по вышения ответственности ее функций первостепенное значение приобрела проблема повышения надежности действия радиотехнических устройств. Поэтому главной задачей при применении электронных приборов СВЧ является нахождение таких условий их использования в аппаратуре, при которых достигается необходимая эффективность приборов при высокой эксплуатационной надежности. Решение этой задачи требует детальных знаний о требованиях, предъявляемых к выходным па раметрам м надежности аппаратуры, свойствах приборов и условиях эксплуатации аппаратуры.
Большинство задач по применению приборов ре шается в процессе разработки аппаратуры. На этапах разработки и испытаний самих приборов выбираются конструкция и режимы работы, устанавливаются срок службы и критичность параметров к воздействиям внеш ней среды с. тем, чтобы обеспечить правильность приме нения приборов. Многое в применении приборов зави сит от установленной системы обслуживания радиоэлек-
7
тронных средств, регламентирующей проверку качества приборов при их установке в аппаратуру, поддержание режимов работы приборов, контроль их исправности действия при регламентных работах после длительного хранения, а также в процессе эксплуатации аппаратуры с помощью придаваемых'и встроенных измерительных приборов.
1.1, ОБЛАСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ПРИБОРОВ СВЧ
Основные технические показатели радиоэлектронной аппаратуры диапазона сверхвысоких частот определяют ся электронными приборами СВЧ, используемыми в передающих и приемных устройствах аппаратуры.
Электронные приборы СВЧ выполняют функции ге нерирования, усиления, детектирования и преобразова ния электромагнитных колебаний радиочастотного спектра от дециметровых до миллиметровых волн вклю
чительно |
(3*10® — 3 -1011 гц) *. |
|
|
Имеются |
существенные особенности |
использования |
|
приборов и устройств в диапазоне СВЧ. |
|
||
В технике СВЧ имеют дело с устройствами, рабо |
|||
тающими |
в |
широком диапазоне 'частот |
(перекрытие |
~ Ю 4) при |
очень больших (до 10® вт) и весьма .малых |
||
уровнях мощности (до Ю-15—10~17 вт) и требующими высокой стабильности частоты (от 10-5 до 10-10). В ряде случаев имеется потребность в электронной перестройке частоты, использовании различных видов модуляции сиг налов, изменения частоты, .мощности и фазы. Для от дельных участков диапазона СВЧ свойства материалов, условия распространения, спектры промышленных помех, шумов атмосферы и космических тел являются резко разнообразными.
В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн размеры элементов конструкций радиотехнических устройств, передающих линий и колебательных систем соизмеримы или больше длины волны. Поэтому точность
* Международным консультативным комитетом по радио (МККР) в спектре радиочастот к сверхвысоким частотам относится диапазон сантиметровых волн (3000—30 000 М гц). Дециметровые
и .миллиметровые волны но этой классификации 'называются соот ветственно ультравысокими (300—3000 М гц) и крайне высокими (30 000—300 000 Мгц) частотами.
8
изготовления приборов и ВЧ трактов, правильность их расположения, недопустимость механических поврежде ний, нарушений покрытий и т. п. являются обязатель ными требованиями для устройств в диапазоне СВЧ.
Все это создает известные трудности при конструи ровании радиоэлектронных устройств и должно учиты ваться при применении электронных приборов СВЧ.
Электронные приборы СВЧ используются в аппара туре в небольших количествах по сравнению с прием но-усилительными лампами, полупроводниковыми дио дами, транзисторами, конденсаторами, сопротивлениями и другими радиоэлементами. Это обстоятельство облег чает работу конструктора аппаратуры при применении электронных приборов СВЧ и позволяет более глубоко заняться каждым прибором. Необходимость последне го связана с тем, что электронные приборы СВЧ опре деляют основные технические характеристики аппара туры. Кроме того, в электронных приборах СВЧ проте кают сложные физические процессы, зависящие от режима, условий внешней среды, взаимного влияния одних приборов на другие, конструктивного сопряже ния приборов с передающими линиями и антенными устройствами.
Ответственность функций, выполняемых электронны ми приборами СВЧ в аппаратуре, сложность протекаю щих в них явлений, обусловливающих сильную зави симость параметров приборов от воздействия внешней среды, заставляют самостоятельно заниматься вопроса ми применения электронных приборов СВЧ, накапли вать и обобщать опыт их использования, проводить де тальное изучение свойств приборов.
Сказанное относится к общим чертам, характеризую щим особенности применения приборов СВЧ. Детальное рассмотрение области применения электронных прибо ров СВЧ заставляет обратиться к анализу свойств кон кретных видов приборов, исходя из назначения аппа ратуры и условий ее использования.
1.2. ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ, РАССМАТРИВАЕМЫЕ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
В процессе разработки радиоэлектронной аппарату ры основное внимание уделяется обеспечению требова ний в отношении дальности действия, надежности, точ-
пости, экономичности, габаритов, веса и других показа телей, связанных с непосредственным назначением аппаратуры. При создании электронных приборов обыч но стремятся удовлетворить требования, заданные.' к приборам по основным электрическим параметрам, сроку службы и устойчивости параметров к воздействию внешних дестабилизирующих факторов, проверяемых путем испытаний в определенных режимах и искусствен
ных условиях работы. Разработка приборов |
зачастую |
|
предшествует конструированию аппаратуры. |
Поэтому, |
|
в известной |
мере, имеется независимость в разработках |
|
аппаратуры |
и электронных приборов. |
|
Конечно, это не означает, что радиоэлектронная ап паратура не оказывает влияния на развитие электрон ных приборов и наоборот. Например, современная ра диолокация во многом обязана созданию многорезо наторного магнетрона, отражательного клистрона и резонансных разрядников. С другой стороны, все возра стающие требования к радиоэлектронной аппаратуре, особенно к надежности ее действия в любых условиях (на земле, море, в воздухе и космосе), расширение областей применения радиоэлектронной аппаратуры в промышленности, на транспорте и при научных ис следованиях привели к резкому увеличению номенкла туры приборов СВЧ, появлению новых видов и типов приборов. Качественно новое состояние за последние годы приобретает радиоэлектроника благодаря созда нию полупроводниковых приборов, микромодулей, мощ ных усилительных приборов СВЧ, параметрических и квантовых усилителей на твердом теле.
В процессе разработки радиоэлектронной аппара туры для обеспечения ее высокой надежности и пра вильного использования в условиях эксплуатации при ходится решать следующие вопросы по применению приборов:
— какому виду и типу приборов из имеющейся но менклатуры следует отдать предпочтение;
—обоснованно ли выбраны режимы работы при боров;
—как обеспечить устойчивую совместную работу комплекса приборов СВЧ и правильное их сопряжение;
—окажутся ли взаимозаменяемыми приборы в про-
10
цессе срока службы и при использовании их в различ ных условиях внешней среды;
— будет ли обеспечена при эксплуатации аппарату ры для обслуживающего персонала простота смены приборов, удобство настройки и контроль режимов ра боты и др.
Отсюда видно, что большинство задач по примене нию приборов связано с изысканием путей повышения эксплуатационной надежности радиоэлектронной аппа ратуры. Успешное решение этих задач для электронных, приборов СВЧ требует осведомленности о физических процессах и явлениях, протекающих в приборах, а так же знания свойств приборов в отношении:
—зависимости параметров от режима и условий внешней среды;
—поведения .параметров в течение срока службы
ихранения;
—возможностей сопряжения с другими приборами.
Необходимо также располагать данными о статисти ческих кривых распределения основных параметров и законах распределения отказов приборов в эксплуата ции. Только знание допусков на изменение параметров приборов в процессе эксплуатации (срока службы и хранения) позволяет провести достаточно строгие рас четы аппаратуры на надежность и обеспечить правиль ное применение приборов в аппаратуре.
1.3.КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
Впрактике радиоинженеры, занимающиеся разработ кой и эксплуатацией радиоэлектронной аппаратуры, часто сталкиваются с необходимостью классификации электровакуумных, газоразрядных и полупроводниковых приборов, именуемых далее электронными приборами.
Введение схем классификации позволяет разобрать ся в существующем многообразии приборов, правиль нее определить значение вновь создаваемых приборов, облегчает анализ и сопоставление различных приборов, используемых для одних и тех же целей.
Известны попытки дать схемы технической и науч ной классификации приборов [2, 9, 12, 13, 14]. Техниче ская классификация обычно сводится к удобному рас положению существующих приборов по сходным их при-
П