Лекция № 1

Введение. Физические процессы в приборах свч.

План лекции

1. Введение.

2. Общие принципы генерирования и усиления СВЧ-колебаний.

3. Режимы работы электронных приборов СВЧ.

1. Введение

Под сверхвысокими частотами (СВЧ) понимают электромагнитные колебания с частотой f = 3 10⁷ … 3 10¹² Гц. Участок спектра электромагнитных колебаний, относящихся к СВЧ диапазону, лежит между радиотехническим и оптическим диапазонами. Длины волн λ СВЧ колебаний лежат в диапазонах метровых, дециметровых, сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых волн.

Особенно отчетливо характерные свойства СВЧ диапазона проявляются на частотах от 1 ГГц (λ = 30 см) до 300 ГГц (λ = 1 мм). На волнах короче 1 мм широко используют оптические методы передачи и преобразования электромагнитных колебаний.

Увеличение рабочих мощностей электровакуумных приборов СВЧ и повышение их долговечности позволяют в настоящее время применять приборы СВЧ в промышленных технологических установках, например для сушки и нагрева. Все чаще приборы СВЧ используют в радиоастрономии, медицине и научных исследованиях. Важную роль играет применение мощных приборов СВЧ в ускорителях заряженных частиц, атомной физике, исследованиях по созданию термоядерных установок.

Особенностью приборов СВЧ является то, что они работают на высоких частотах, когда период колебаний соизмерим с временем пролета электронов между электродами прибора. Высокие частоты накладывают ограничения также на конструкцию приборов ввиду значительного влияния индуктивностей и емкостей на их работу. В связи с этим наряду с совершенствованием конструкций триодов и транзисторов были разработаны специальные типы электронных приборов для генерирования, усиления и преобразования СВЧ колебаний, не имеющие аналогов в низкочастотной электронике и использующиеся только на сверхвысоких частотах.

Для приборов СВЧ характерно объединение активной области прибора, где происходит взаимодействие носителей зарядов с высокочастотным электрическим полем, и колебательной системы с внешней линией передачи. Большое количество разнообразных типов электронных приборов СВЧ, разработанных к настоящему времени, затрудняет их классификацию.

Полупроводниковые приборы СВЧ подразделяют на две группы - диоды и транзисторы. Вакуумные приборы СВЧ более разнообразны.

Среди вакуумных приборов СВЧ можно выделить две основные группы, объединяющие большинство приборов, находящих широкое применение. Это приборы О- и М-типов.

В приборах О-типа используются прямолинейные электронные потоки и группирование электронов осуществляется за счет взаимодействия с продольной составляющей электрического СВЧ поля, которому электроны передают кинетическую энергию.

В приборах М-типа электроны группируются за счет взаимодействия потока (в общем случае непрямолинейного) с поперечными составляющими электрического СВЧ поля и происходит передача потенциальной энергии электронов электромагнитным колебаниям, причем постоянные электрическое и магнитное поля являются ортогональными (скрещенными).

Приборы О- и М-типов, в свою очередь, могут быть подразделены на приборы с резонансными и нерезонансными колебательными системами. К резонансным приборам О-типа относятся клистроны, а к аналогичным приборам М-типа - магнетроны. Среди приборов с нерезонансными системами широкое распространение получили лампы бегущей и обратной волны О-типа (ЛБВО и ЛОВО). Существуют еще ЛБВ и ЛОВ М-типа (ЛБВМ и ЛОВМ), а также и другие разновидности приборов М-типа с нерезонансными замедляющими системами, среди которых можно выделить амплитроны и дематроны.