Л. М. АНДРУШКО, В. М. БУРМИСТЕНКО

Электронные и квантовые приборы свч

Допущено Министерством высшего и среднего

Специального образования СССР

в качестве учебника для студентов вузов,

обучающихся по специальности

«Многоканальная электросвязь»,

«Радиосвязь и радиовещание»

МОСКВА «РАДИО И СВЯЗЬ» 1981

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебник предназначен для студентов электротехнических инсти­тутов связи и соответствует программе курса «Электронные и квантовые приборы СВЧ и оптического диапазонов», утвержден­ной 27.03.1975.г. УРКУЗ Министерства связи СССР.

Малый объем данного курса создавал большие трудности в отборе и изложении материала. При этом авторы учебника исхо­дили из учета профиля подготовки инженеров многоканальной электросвязи, радиосвязи и радиовещания. Основное внимание уделено принципам действия приборов, их основным характеристикам и параметрам. Вопросы теории изложены только в том объеме, который достаточен для понимания физических процессов в приборах и объяснения основных характеристик.

В учебнике расширен раздел о полупроводниковых приборах СВЧ, добавлен ряд новых перспективных приборов миллиметро­вого и оптического диапазонов, включены сведения о достигнутых в настоящее время значениях основных параметров, рассмот­рен вопрос применения лазеров в волоконно-оптических линиях связи. Одновременно несколько сокращен материал по приборам типа М, триодам СВЧ и квантовым стандартам частоты.

При подготовке учебника учтен многолетний опыт чтения курса лекций в Киевском филиале Одесского электротехнического института связи им. А.С. Попова и в Московском ордена Трудового Красного Знамени электротехническом институте связи. Авторы использовали удачные в методическом отношении разделы ранее изданных учебников Андрушко Л.М., Бурмистенко В.М. Электронные и квантовые приборы СВЧ. М.: Связь, 1974 (для связных специальностей), Федоров Н.Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы. М.: Атомиздат, 1979 (для радиотехнических специальностей). Главы 1-4 и 12 написаны Л.М. Андрушко, гл 5-11 – Н.Д. Федоровым.

Авторы выражают глубокую благодарность зав. кафедрой электронных и квантовых приборов Ленинградского электротехнического института связи им. Бонч-Бруевича проф. д-ру техн. наук С.А. Корнилову, доцентам канд. техн. наук И.А. Кратирову и К.Д. Овчинникову за тщательное рецензирование рукописи учебника и многочисленные полезные советы и замечания, которые были учтены при подготовке рукописи к изданию. Авторы признательны также доц. канд. техн. наук Ю.Л. Бобровскому за предоставленный материал по минитюаризации клистронов.

Замечания по книге следует направлять в издательство «Радио и Связь» по адресу: 101000, Москва, Главпочтамт, а/я №693.

Глава 1 Общие сведения по электронным и квантовым приборам свч и оптического дипазонов

1. Особенности свч и оптического диапазонов

К диапа­зону СВЧ обычно относят область частот от 300 МГц до 300 ГГц, т.е. дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазоны длин волн. Оптический диапазон (Гц) включает субмиллиметровые и инфракрасные волны, видимый свет и ультрафиолетовое излучение. Видимое излучение занимает относительно узкую область спектра оптического излучения и ограничена длинами волн от 0.78 до 0.38 мкм.

Для развития техники связи характерна тенденция использования все более и более высоких частот. Объем передаваемой информации удваивается примерно каждые 6-7 лет, поэтому системы связи должны непрерывно совершенствоваться; увеличивается число каналов. Емкость системы связи растет с увеличением используемой частоты, поэтому каналы связи в СВЧ и оптическом диапазонах обладают большой информационной емкостью.

На рис. 1.1 показано, как используются СВЧ и оптический диапазоны в современных системах связи: 1-телевизионное вещание, 2-радиорелейные связи, 3-тропосферная связь, 4-космическая радиосвязь, 5-метеорная радиосвязь, 6-дальняя космическая радиосвязь, 7-волноводные линии связи, 8-волоконно-оптические линии связи, 9-лазерная связь для космоса.

Рис. 1.1.

Линии радиорелейной и космической связи работают в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн. Системы связи с использованием искусственных спутников Земли (ИСЗ) как ретрансляторов становятся одним из важнейших средств связи на большие расстояния, обеспечивающих передачу большого числа телефонных разговоров и программ телевидения. В ближайшем десятилетии намечается значительный сдвиг рабочих частот аппаратуры космиче­ской связи в область более высоких частот. На Международной административной конференции по радиосвязи, проходившей в Женеве, выделены для систем связи с ИСЗ следующие четыре пары частотных полос, ГГц, в миллиметровом диапазоне:

Спутник-Земля 40-41 102-105 150-152 265-275

Земля-спутник 50-51 92—95 140—142 220-230

Телевизионное вещание ведется в настоящее время в метровом и дециметровом диапазонах волн. Дециметровый диапазон позволяет разместить большое число каналов, уменьшить взаим­ное влияние близко расположенных передатчиков вследствие повышенного затухания дециметровых волн и получить высокое ка­чество принимаемого изображения за счет незначительного влияния индустриальных помех.

Диапазон миллиметровых волн позволяет создавать многоканальные волноводные линии связи с очень широкой полосой частот, в которой можно разместить несколько сотен тысяч телефонных каналов. Миллиметровые волны найдут применение в совер­шенно новой области космической связи - передаче сигналов со спутника на спутник в линии международной связи, содержащей несколько спутников.

На базе оптических квантовых генераторов разрабатываются эффективные системы лазерной связи. Как показали исследования, передавать лазерное излучение в атмосфере целесообразно на коротких линиях связи или в космосе между космическими кораблями. Для передачи света на большие расстояния с малыми потерями необходима специальная направляющая система. Наиболее перспективными для лазерных систем связи оказались оптические волноводы – исключительно тонкие диэлектрические стержни (3-80 мкм в диаметре), которые из-за малых поперечных размеров называются волокнами. В настоящее время разработаны волоконно-оптические кабели с затуханием 6—8 дб/км, и во многих странах мира ведутся разработки волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), которые обладают целым рядом преимуществ по сравнению с обычными кабельными: высокая помехоустойчивость, значительно большая широкополосность, малая масса и небольшие габариты, потенциально низкая стоимость.

Колебания СВЧ и оптического диапазонов обладают еще рядом специфических особенностей. Размеры СВЧ антенн, как правило, существенно больше длины волны, поэтому можно получить концентрированные, остронаправленные пучки излучения. Это важно для таких применений, как радиорелейные линии связи и радиолокационная техника. Еще большей направленностью обладает лазерное излучение. Высокая направленность излучения позволяет во много раз повысить помехоустойчивость радиосистем, раз­решающую способность, точность определения координат.

Способность электромагнитных колебаний СВЧ свободно про­ходить через ионизированные слои атмосферы и плазму дает воз­можность использовать их для систем космической связи.