Устройства генерирования и канализации субмиллиметровых волн

В связи с большими рассеиваемыми мощностями в современных субмиллиметровых ЛОВ, как правило, применяют водяное охлаждение.

М.Б. Голант и А.А.Негирев нашли оптимальные формы теплорассеивающих поверхностей в субмиллиметровых ЛОВ, что позволило разрешить проблему теплоотвода при разработке отечественных приборов.

Замедляющие структуры для ламп субмиллиметрового диапазона изготовляются мето

дом фрезерования, штамповки, фототравления, фотоосаждения, резания ультразвуком и электронным лучом. Качество технологии в большой степени определяет параметры приборов.

Для нормальной работы прибора необходимо, чтобы период между двумя пролетами электронов был примерно кратен периоду генерируемых колебаний. Номера использующихся пространственных гармоник здесь очень высоки. В таких приборах можно снизить пусковые токи по сравнению с обычными ЛОВ, имеющими такую же длину замедляющей системы, и при этом получить к. п. д. примерно такой же, как у обычных ЛОВ малой мощности с малыми потерями в замедляющей системе.

Таким образом, сочетание резонанса в замедляющей системе и резонанса электронного пучка может способствовать использованию ЛОВ на более коротких волнах субмиллиметрового диапазона.

Приборы характеризуются многоэлектродной конструкцией, сравнительно высокими напряжениями питания и большими магнитными полями. До длин волн = 0,6 мм используются фокусирующие системы с постоянными магнитами, а в более коротковолновых лампах применены электромагниты. Отдельные экземпляры этих приборов на волнах 0,9 мм генерировали колебания мощностью около 100 мВт, а на волнах 0,9—0,6 мм – мощностью несколько десятков милливатт. Разрабатываются ЛОВ для генерирования волн длиной до 0,345 мм.

Рис. 1.1 Зависимость выходной мощности ЛОВ-1 и длины генерируемой волны от напряжения коллектора

Советскими учеными под руководством М. Б. Голанта разработаны генераторы типа ЛОВ, предназначенные для работы на волнах вплоть до 0,296 мм.

Рис. 1.2 Внешний вид приборов ЛОВ-1 и ЛОВ-0,5

1 – фланец; 2 – штуцер водяного охлаждения; 3, 4 – выводы накала и катода; 5 – геттер.

На графике рис. 1. показана зависимость выходной мощности и длины генерируемой волны от напряжения на замедляющей системе для одного из экземпляров прибора ЛОВ-1.

Электровакуумные приборы субмиллиметровых волн требуют для своей работы сильных магнитных полей, поэтому они выпускаются непакетированными. Для уменьшения потерь вывод энергии осуществляется через волновод с увеличенным сечением. Для генерирования колебаний в диапазоне 0,5 мм разработаны также резонансные ЛОВ, работающие в ряде дискретных областей.

Крутизна перестройки резонансных ЛОВ в 5 - 6 раз меньше, вследствие чего стабильность частоты подобных ЛОВ несколько выше; зоны плавной перестройки лежат в пределах сотен мегагерц.

Все существующие приборы требуют водяного охлаждения. Отечественные приборы обладают достаточно высокой надежностью и удобны в эксплуатации.

По принципу действия к ЛОВ близок предложенный Ф.С. Русиным и Г.Д. Богомоловым прибор типа О, названный ими оротроном, который, как показали исследования, может генерировать субмиллиметровые волны.

В оротроне эффективность взаимодействия электронов с СВЧ полем повышена благодаря использованию резонансной системы.

Под руководством А.Я. Усикова его сотрудниками М.Д. Трутнем и Т.Я. Левиным разработаны импульсные генераторы и генераторы непрерывного действия типов О и М с повышенной средней мощностью, работающие в милли- метровом и в значительной части субмиллиметрового диапазона. Рост мощности достигнут вследствие значительного увеличения объема области взаимодействий.

1.2 Плазменные приборы

Ряд исследователей высказывал предположение, что для генерирования и усиления субмиллиметровых волн вместо обычной замедляющей системы ЛОВ может быть применен плазменный волновод.

В изучение приборов, использующих электронно-ионную плазму, большой вклад внесли советские ученые В.Л. Гинзбург, Л.Д. Ландау, Г.А. Бернашевский, З.С. Чернов и др.

Расчеты показывают, что мощность колебаний плазменных субмиллиметровых генераторов и усилителей может достигать десятков ватт. В электроннолучевом плазменном приборе в отличие от ЛОВ высокочастотное поле не ослабевает по мере приближения к центру пучка. Участие всего пучка в процессе взаимодействия с полем плазменных колебаний обеспечивает более высокий к. п. д. и позволяет повысить выходную мощность за счет увеличения диаметра пучка. Однако при реализации таких устройств встречается ряд весьма серьезных затруднений, Из-за столкновения электронного пучка с ионами и нейтральными атомами энергия пучка рассеивается в плазме, появляются шумы. Этот эффект ограничивает рабочую частоту и требует увеличения степени ионизации плазмы.

Для увеличения рабочей частоты необходимо преодолеть две серьезные трудности:

1) получить плазму чрезвычайно высокой плотности (1014 — 1016 ион/см3) при ионизации больше 50%; чем плотнее плазма, тем выше должен быть процент ионизации;

2) найти эффективный способ ввода и вывода энергии.

Возможно, последнюю трудность удастся преодолеть путем использования таких явлений, как распространение поверхностных волн вдоль плазменного столба и волн в плазме, помещенной в магнитное поле.

1.3 Полупроводниковые генераторы

Трудности, возникающие при разработке полупроводниковых СВЧ генераторов и электровакуумных, одни и те же: мелкоструктурность элементов, сложность отвода тепла. Создание полупроводниковых приборов осложняется еще худшей теплопроводностью и меньшей допустимой рабочей температурой полупроводниковых материалов.

Несмотря на это, разработаны приборы на туннельных и лавинно-пролетных диодах, которые генерируют колебания небольшой мощности в миллиметровом диапазоне длин волн. Указанные ограничения делают невозможной работу классических полупроводниковых генераторов в субмиллиметровом диапазоне. В этом диапазоне могут использоваться умножители на полупроводниковых диодах и, очевидно, импульсные генераторы на лавинно-пролетных диодах (ЛПД). Были получены колебания на частоте = 340 ГГц с помощью генератора на ЛПД, работающего в импульсном режиме при больших импульсных токах. Можно предположить, что для работы в субмиллиметровом диапазоне могут быть созданы генераторы на туннельно-пролетных диодах.

Исследования последних лет указывают на большую перспективность использования объемных эффектов для генерации СВЧ колебаний. Первым таким эффектом, позволившим создать генераторы близкого к миллиметровому диапазона, явился эффект Ганна.

Применение так называемого режима ограничения накопления пространственного заряда (ОНПЗ) в диодах из арсенида галлия, предложенного Дж. Коуплендом, позволяет надеяться на создание высокоэффективных генераторов субмиллиметрового диапазона мощностью в несколько ватт.

 Скачать реферат