книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот

знакам: принципу действия, конструкции, выполняемом функции, режиму работы и др. Научная классификация призвана охватить приборы как существующие, так и еще не созданные.

Интересные предложения по классификации элек­ тровакуумных приборов были сделаны еще в 1939 г. С. А. Оболенским при участии А. Г. Александрова, Ю. Д. Волдыря, В. С. Лукошкова и В. С. Мошковича. Ими были введены следующие признаки классификации электровакуумных приборов:

—'По значению для работы приборов свободных эле­ ментарных зарядов;

—по виду электрического разряда;

—по характеру и методу управления основным по­ током свободных элементарных зарядов;

—по степени и методу фокусирования основного по­ тока свободных элементарных зарядов;

—но характеру преобразования или превращения

определения)», который по настоящее время не поте­

Предложения по схеме научной классификации при­ менительно к электровакуумным приборам СВЧ были сделаны также несколько лет назад Я. М. Туровером [15]. В основу этой схемы положены инерционные и радиационные свойства электрона, характер электро­ магнитных полей, в которых движется или взаимодей­ ствует электрон, а также заряд, масса, спин и магнит­ ный момент электрона.

Рассмотрение предложенных схем классификации показывает, что они не имеют общности для всех клас­ сов приборов, рассчитаны лишь на отдельные классы приборов и не учитывают новых' видов приборов, по­ явившихся за последние годы. Известные схемы класси­ фикации составлены без учета применения приборов. В целях восполнения этого пробела ниже предлагаются схемы технической классификации электровакуумных

12

полупроводниковых и газоразрядных приборов по сход­ ству их признаков для выполнения определенных функ­ ций в радиоэлектронной аппаратуре. Назовем их схе­ мами классификации но применению.

Любая радиоэлектронная аппаратура, независимо от назначения и решаемых ею задач, имеет ряд общих черт. При этом самым общим в радиолокационных и навигационных устройствах, системах связи, радиотеле­ скопах.. электронно-вычислительных машинах, радио­ спектроскопах п т. п. является то, что во всех их пере­ дача, прием пли обработка информации осуществляется радиоэлектрониыми методами.

Поэтому для аппаратуры, которая обеспечивает пере­ дачу, прием или обработку информации радиоэлектрон­ ными методами, все электронные приборы, независимо от того, являются ли они электровакуумными, полу­ проводниковыми, газоразрядными, приборами с исполь­ зованием свойств твердого тела, плазмы и т. п., могут быть подразделены, как показывает анализ, на пять основных классов.

I к л а с с — п р и б о р ы п е р е д а ч и и п р и е м а и н ф о р м а ц и и (в о с н о в н о м п р и б о р ы СВЧ). Данные приборы обеспечивают передачу в пространство и прием электромагнитных колебаний, несущих инфор­ мацию. Характерным для этих приборов является то, что они определяют энергетический потенциал радио­ электронной аппаратуры.

Кприборам СВЧ, применяемым в передающих

устройствах и входных каскадах приемников, а также в качестве вспомогательных элементов в трактах СВЧ, относятся: магнетроны, клистроны, ЛОВ, ЛБВ, резо­ нансные разрядники, кристаллические детекторы, кван­ товые усилители и другие мощные и маломощные при­ боры непрерывного и импульсного режима работы. Все эти приборы выполняют функции передачи и приема сигналов, несущих информацию в виде когерентных электромагнитных .колебаний преимущественно сверх­ высоких частот (в отдельных случаях низких частот и частот вплоть до оптического диапазона). Можно ска­ зать, что приборы СВЧ с помощью антенного устрой­ ства обеспечивают как бы взаимодействие радиоэлек­ тронной аппаратуры с свободным 'пространством. Лишь

13

о отдельных случаях приборы СВЧ наряду с прохожде­ нием информации •обеспечивают и ее обработку.

Приборы этого класса, как правило, одиночного при­ менения (в зависимости от сложности аппаратуры удель­ ный вес их ко всем другим электронным приборам со­

ставляет от 0,01 — 5%).

Надежность* этого класса приборов сравнительно невысока, хотя усредненная интенсивность отказов для различных видов и типов приборов изменяется до 1000 и более раз. По этой причине, несмотря на малое коли­ чество приборов GB4 в аппаратуре, они в значительном мере определяют эксплуатационную надежность радио­ электронных средств. Более подробно вопросы надеж­ ности и удельного веса электронных приборов и элемен­ тов в радиоэлектронной аппаратуре рассмотрены в ра­

диоды, транзисторы, газоразрядные приборы, модуля­ торные, выпрямительные и универсальные генератор­ ные лампы.

В подавляющем большинстве случаев приборы НЧ

иВЧ обеспечивают работу и взаимодействие схем, узлов и блоков самой аппаратуры и выполняют функ­ ции обработки сигналов передаваемой и принимаемой информации с помощью приборов СВЧ путем преобра­ зования и усиления электрических сигналов, управле­ ния различными процессами и режимами в аппаратуре

иисполнительными механизмами. Они используются для целей выпрямления, защиты от перегрузок в различных цепях, стабилизации питающих напряжений и т. п. Удельный вес различных подгрупп приборов этого клас­ са варьируется в больших пределах от 0,1 до 98% по от­ ношению ко всем электронным приборам, применяе­ мым в аппаратуре.

14

большие сроки службы и высокую надежность. Учитывая, что общая надежность схем при последо­

вательном соединении N элементов (без резервирова­ ния) определяется как

* = ! ) * < * •

нетрудно видеть, что данный класс приборов также существенно влияет на надежность радиоэлектронной аппаратуры.

За последние годы, в целях резкого сокращения га­ баритов, веса и энергопотребления аппаратуры, многие приборы НЧ и ВЧ для приемно-усилительных схем и электронно-вычислительных машин все чаще стали за­ меняться миниатюрными функциональными узлами (бло­ ками), микромодулями и элементами молектроники.

ходных каскадах аппаратуры, обеспечивая оператору передачу информации, обработанной с помощью прибо­ ров общего применения, и накопление («запоминание») полученной информации в течение длительного време­ ни. Эти приборы преобразуют электрические сигналы в световые, решают задачи интегрирования сигналов и выделения их на фоне шумов. К данному классу при­ боров относятся приемные электронно-лучевые трубки, накопительные трубки (потенциалоскопы, характроны,

боры-преобразователи). Они служат для превращения некогерентных световых сигналов (или изображения), сигналов теплового излучения, механических колебании звуковой и ультразвуковой частоты в электрические сиг­ налы, обрабатываемые далее радиоэлектронными мето­ дами. К ним относятся передающие телевизионные труб­ ки, фотоэлементы, электронно-оптические преобразова­ тели, фотодиоды и фототриоды, счетчики радиоактивных излучений, пьезоэлектрические, магнито- и электрострик-

15

цнонные преобразователи, электролюминесцентные экра­ ны и др.

мов, преобразование различных видов сигналов в сиг­ налы, доступные для измерений. К ним относятся: ис­ точники шумов, термисторы и вакуумные термопары, электрометрические лампы, датчики-преобразователи и т. п. В ряде случаев для измерительных целей исполь­ зуются приборы I—IV классов, которые применяются для построения радиоэлектронной аппаратуры, или по­ добные же приборы, но специально сконструированные для измерительных целей (расширен диапазон пере­ стройки по частоте, обеспечена импульсная и частотная модуляция, высокая стабильность по частоте, выходной мощности и т. п.).

Схема разделения электронных приборов на классы по признакам применения, основным функциям, выпол­ няемым приборами, и связь их с техническими показа­ телями и характеристиками аппаратуры показаны на рис. 1.1.

Каждый класс электронных приборов, определяемым общими (типичными) функциями в радиоэлектронной аппаратуре, в свою очередь, как показывает анализ, целесообразно разделить на подклассы приборов (в за ­ висимости от выполняемых функций в конкретной схеме).

Необходимость классификации по принципу действия, конструктивному выполнению приборов и режимам их работы заставляет ввести разряды, виды и группы (ка­ тегории) приборов. В этом случае общая структура схем классификации электронных приборов по приме­ нению, отражающая функции, выполняемые приборами,

Рассмотрим более подробно схемы классификации приборов СВЧ.

В зависимости от выполняемых функций приборы

16

ПриборЫ:

генераторные,

усилительные,

модуляторные,

ВЬтрямителЬные и т.п.

Ван уумные, газораз­ рядные и полупровод - ниновЫе;со статиуес - ним,динамическим и др.видами управления: различного Нонструктидного Выполнения

Рис. 1.2. Структура схем классификации электронных приборов по применению.

СВЧ могут быть подразделены на следующие tpn под­ класса:

— приборы для передающих устройств, в основном, мощные;

— приборы для приемных устройств — приборы маломощные н с малым фактором шума, предназначен­ ные для входных каскадов приемников;

— приборы коммутационные и вспомогательные, обеспечивающие совместную работу передатчика и при­ емника на одну антенну, а также развязку между от­ дельными приборами и сопряжение приборов в СВЧ трактах.

Необходимость разделения приборов СВЧ на виды диктуется тем, что разнообразные способы превраще­ ния энергии постоянного тока в энергию ВЧ и разнооб­ разные виды взаимодействия электронов с электромаг­ нитными полями накладывают значительные особенности на технические и эксплуатационные характеристики приборов. Действительно, использование свойств наве­ денных токов, инерционные и радиационные свойства электронов, резонансные явления в атомах и молекулах, явления параметрического резонанса и т. п. позволяют создать приборы с различной эффективностью в раз­ ных участках диапазона СВЧ при протекании процессов

ввакууме, плазме, полупроводниках, твердом теле. Мощные приборы непрерывного и импульсного дей­

ствия до настоящего времени удалось создать только при использовании управления электронными потоками в вакууме. Характерными параметрами для этих при­ боров является к. п. д. т| и выходная мощность Р. Мало­ мощные приборы СВЧ созданы при использовании явле­ ний управления электронными токами и свойств элек­ тронов в вакууме, плазме, полупроводниках и твердом теле. При этом для входных приборов характерными параметрами являются коэффициент шума /гш, а для усилителей промежуточной частоты — коэффициент уси­ ления kyc.

В приборах для коммутации СВЧ колебаний боль­ шой и малой мощности широко используются свойства газовых сред и ферритов. Характерными параметрами этих приборов в режиме приема являются потерн L, а в режиме передачи — просачивающаяся мощностьРор и время восстановления Тц0С.

В зависимости от вида управления колебательными процессами существующие приборы СВЧ можно отнести

ктрем категориям:

—приборы с управляемыми пространственным за ­

рядом в вакууме и носителями тока в полупроводниках и газах (диоды, триоды, тетроды, кристаллические де­ текторы, туннельные диоды, резонансные разрядники, ферриты и др.);

— вакуумные приборы с модуляцией электронного потока по скорости и плотности с непосредственным взаимодействием его с полем колебательной системы (магнетроны, платинотроны, клистроны, ЛБВ, ЛОВ);

— приборы с использованием параметрических яв­ лений и квантовомеханических эффектов (полупровод­ никовые и вакуумные на электронных пучках, парамет­ рические усилители и квантовые генераторы и усилители на твердом теле и с использованием газовых сред и по­ токов нейтральных молекул).

Учитывая сказанное, схему классификации распро­ страненных электронных приборов СВЧ по применению целесообразно представить в виде, показанном на рис. 1.3.

Электрические и эксплуатационные характеристики приборов СВЧ во многом зависят от их конструктив­ ного выполнения: системы фокусировки электронного пучка и охлаждения, ввода и вывода энергии, механиз­ ма перестройки частоты. Поэтому приборы СВЧ под­ разделяются на приборы с электростатической и маг­ нитной фокусировкой, естественным и принудительным (воздушным и жидкостным) охлаждением, коаксиаль­ ным и волноводным выводами энергии, фиксированной настройкой, механической (включая гидравлические и термические способы) и электронной перестройкой ча­ стоты.

Система фокусировки и охлаждения оказывает суще­ ственное влияние на потребляемую энергию, габариты и вес приборов.

Выбор вывода высокочастотной энергии во многом связан с требованиями запаса по электрической проч­ ности, средней мощности и широкодиапазонности при­ боров. Система перестройки частоты оказывает суще­ ственное влияние на диапазон и скорость перестройки.

Режим работы и условия использования электронных приборов в аппаратуре в зависимости от ее назначения

20