116

§ 8.3. Принцип работы стабилотрона

Стабилотрон — это генератор высокостабильных по частоте колебаний, выполненный на основе платинотрона. Схема устройства стабилотрона показана на рис. 8.4, а внешний вид—на рис. 8.5. На выходе платинотрона расположены отражатель-фазовращатель и нагрузка, к входу присоединены высокодобротный резонатор и нагрузка (поглотитель).

Рис. 8.4

Рис. 8.5

Если на выходе платинотрона появился шумовой сигнал, то часть его отразится от фазовращателя и начнет двигаться в обратном направлении. Отраженный сигнал практически без затухания проходит через замедляющую систему на вход платинотрона и попадает в резонатор. Часть пришедшей энергии отразится от резонатора и пойдет к входу платинотрона, усилится в нем и вернется к фазовращателю, опять отразится и т. д. Таким образом, появляется замкнутая цепь обратной связи. Если сдвиг фазы по петле обратной связи кратен 2π, то связь положительная и возможно самовозбуждение колебаний.

Основным элементом, стабилизирующим частоту автоколебаний, является резонатор. Фаза коэффициента отражения в месте расположения резонатора сильно зависит от частоты, полный фазовый сдвиг вблизи резонансной частоты f0 резонатора имеет резкий скачок. Необходимо, выполнить баланс фазы именно на частоте f0. Применение высокодобротного резонатора повышает стабильность генерируемой частоты в 100—200 раз. Частота изменяется перестройкой резонатора и одновременной подстройкой фазовращателя. Фазовращатель позволяет обеспечить перестройку частоты в сравнительно широком диапазоне (до 10%).

По сравнению с магнетроном при той же мощности стабилотрон имеет более высокую стабильность частоты при изменении условий работы (нагрузка, анодный ток и др.). В стабилотроне электронное смещение частоты значительно меньше.

Параметры стабилотрона приведены в табл. 7.

117

Глава 9 ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ ВИДАМИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

§ 9.1. Приборы с параметрическим усилением в электронном потоке

Параметрическое взаимодействие электронов с СВЧ-полем рассмотрим на примере квадрупольного усилителя, предложенного в 1958 г. Адлером (рис. 9.1).

В этом приборе принципиальное значение имеет продольное магнитное поле, совпадающее с осью электронного потока. Электроны, вылетевшие из электронного прожектора, последовательно проходят резонаторы—входной, накачки и выходной. Во

Рис. 9.1

входном и выходном резонаторах пространством взаимодействия служит конденсаторный промежуток, в котором электрическое поле перпендикулярно оси электронного потока. Оба резонатора настроены на частоту сигнала ω, подводимого к первому резонатору.

При отсутствии сигнала электроны движутся по оси прибора и достигают коллектора. Если к входному резонатору подведен сигнал, то в зазоре конденсатора электроны испытывают поперечное воздействие электрического поля. В скрещенных магнитном и электрическом полях электроны двигаются по спиральной линии, ось которой совпадает с направлением магнитного поля. Вращение в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, происходит с циклотронной частотой [см. формулу (5.5)], а радиус спирали зависит от напряженности электрического поля. Напряженность магнитного поля выбрана так, что циклотронная частота равна частоте сигнала (ωц=ω). Ускоряющее напряжение между коллектором и катодом берется настолько малым (несколько вольт), чтобы на длине электродов наблюдалось значительное число циклотронных орбит (витков винтовой линии).

Поперечное смещение электронов можно представить как «поперечные» волны электронного потока с напряженностью электрического поля, направленной перпендикулярно оси электронного пучка. Эти волны характеризуются циклотронной частотой (частотой обращения электронов в магнитном поле) и названы циклотронными.

В электронном потоке возбуждаются как медленная, так и быстрая циклотронная волны, фазовые скорости которых по направлению оси определяют по формулам

(9.1)

(9.2)

Различие в величинах vф.м и vф.б зависит от ωц, т. е. от напряженности магнитного поля. Если оно таково, что ωц=ω, то vф.м=v0/2, а vф.б→ ∞. В этом частном случае можно пренебречь временем распространения быстрой волны вдоль прибора.

Рис. 9.2

118

Будем считать, что ωц=ω. При этом условии энергия сигнала переходит в энергию поперечных колебаний электронов и скорость вращательного движения увеличивается. Результирующая траектория электрона во входном резонаторе может быть представлена спиральной линией с непрерывно возрастающим радиусом, причем радиус на выходе резонатора пропорционален амплитуде входного сигнала.

В резонаторе накачки с помощью квадрупольного конденсатора создается поперечное СВЧ-поле, вращающееся с частотой поля накачки ωн (рис. 9.2). Рассмотрим случай, когда ωн=2ω. Пусть электрон А, вошедший в квадрупольный конденсатор в некоторый момент времени, вращается влево с циклотронной частотой ωц, равной частоте сигнала ω.

Электрическое поле накачки является для электрона А ускоряющим, так как сила F увеличивает его вращательную скорость. Через четверть оборота, т. е. через полпериода сигнала, электрон А придет в точку В, но электрическое поле изменит в этот момент времени направление по сравнению с указанным на рис. 9.2. Электрон А снова будет ускоряться и т. д. Ускорение должно сопровождаться увеличением радиуса вращения электрона А, так как радиус пропорционален поперечной скорости. Аналогично, если в момент влета в квадрупольный конденсатор электрон оказался в точке В с тормозящим полем, то в дальнейшем этот электрон будет непрерывно тормозиться, а

радиус его спиральной траектории — уменьшаться. Очевидно, наиболее благоприятное начальное положение электронов соответствует линии hh', наиболее неблагоприятное — gg'.

Увеличение и уменьшение радиуса спирали во времени происходит по экспоненциальному закону, однако для него прирост величины всегда больше убыли при том же изменении показателя. Поэтому при равновероятном распределении электронов во входном сечении далее в среднем происходит увеличение энергии поперечных колебаний на частоте сигнала.

Электроны, двигаясь в выходном резонаторе, создают наведенный ток, теряют полученную ранее в квадрупольном конденсаторе энергию и двигаются по сворачивающейся спирали. Выходная мощность равна энергии, отдаваемой на частоте ω электронным потоком.

Если частота сигнала ω несколько отличается от ωн/2, то сечение электронного потока, вращаясь в плоскости рис. 9.2, попадает периодически то в условия максимального усиления, то в условия максимального затухания. Однако в среднем выходной сигнал будет больше входного сигнала по указанной выше причине. Следует отметить, что в этом случае выходной сигнал имеет характер биений двух колебаний; с частотой сигнала ω и разностной частотой ωн—ω.

Ширина полосы определяется только входным и выходным устройствами и составляет 40—50 МГц на частоте до 1000 МГц. Коэффициент усиления зависит от мощности генератора накачки и достигает 20 дБ. Теория и эксперимент показывают, что усилитель имеет очень низкий уровень шума, в лучших экземплярах коэффициент шума не превышает 1 дБ, что соответствует эффективной шумовой температуре около 50 К. По этому параметру усилитель сравним с лучшими малошумящими ЛБВ.

Важным преимуществом квадрупольных усилителей является низкое, как у транзисторов, постоянное напряжение. Усилители однонаправлены и не требуют применения ферритовых вентилей. Кроме того, они не боятся перегрузки: при большом входном сигнале электроны попадают на электроды входного резонатора, вызывая лишь появление режима насыщения.

119

Квадрупольные усилители весьма перспективны, так как имеют преимущества перед другими приборами, в частности перед полупроводниковыми параметрическими усилителями, а по уровню шумов и перед транзисторами.

Взаключение следует отметить, что возможно также параметрическое усиление циклотронных волн в лучевых приборах со скрещенными полями.

§9.2. Приборы с циклотронным резонансом

Вэтих приборах, в разработку которых внесли большой вклад советские ученые А. В. Гапонов и др., используется криволинейное движение электронов в однородном магнитном поле.

Схема прибора с циклотронным резонансом показана на рис. 9.3. Катод прибора имеет коническую форму, а эмиттирующая часть его выполнена в виде кольца. Магнитное поле В направлено вдоль оси катода. Электроны, вылетающие с эмиттирующего кольца в результате совместного действия поля ускоряющего электрода и продольного магнитного поля В, движутся по спиральным траекториям и входят в резонатор или линию передачи.

Вслучае равенства частоты электромагнитного поля в

	резонаторе	ω	и	циклотронной	частоты	ωц
	взаимодействие поля и электронов может приводить к
	группированию электронов в сгустки, которые, в свою
	очередь, будут передавать энергию резонатору.
	Условием такого взаимодействия является равенство
	фазовой скорости одной из циклотронных волн потока и
	фазовой скорости волны в линии передачи. Это условие
Рис. 9.3	и определяет режим работы, называемый циклотронным
	резонансом.

В системе координат, которая движется со скоростью электронов, электроны вращаются по окружности с циклотронной частотой ωц. Если волна в линии передачи правополяризованная, то сгустки образуются в ускоряющем поле волны (рис. 9.4,а). В случае левополяризованной волны сгустки образуются в тормозящем поле (рис. 9.4,б). Образовавшиеся сгустки неподвижны относительно волны, хотя продольная скорость электронов в потоке отлична от фазовой скорости волны. Взаимодействие электронов с правополяризованной волной в линии передачи соответствует синхронизму этой волны с быстрой циклотронной волной, а взаимодействие с левополяризованной волной— синхронизму с медленной циклотронной волной. В последнем случае вследствие взаимодействия сгустков с тормозящим полем волны в линии передачи возможно усиление или генерирование колебаний.

Приборы с циклотронным резонансом еще не нашли широкого применения, так как для их создания требуются большие магнитные поля, особенно в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн. В сантиметровом и миллиметровом диапазоне волн удается

Рис. 9.4