Курс лекций по дисциплине “Методы и устройства формирования радиосигналов” (Лекции 1-34. Назначение дисциплины. Радиосигнал и его характеристики. Основные этапы развития радиотехники. Паразитные излучения в формирователях. Электромагнитная совместимость в формирователях), страница 64

В отечественной литературе под термином “сверхвысокие частоты (СВЧ)” и “микроволны” принято понимать электромагнитные колебания с частотой от 0,3 до 300 ГГц, что соответствует длинам волн от 1 метра до 1 миллиметра. Этот электромагнитный спектр колебаний охватывает 9-12 диапазоны международного частотного классификатора. Чтобы обеспечить благоприятные условия взаимодействия электронного пучка с электромагнитным сверхвысокочастотным полем требуются совершенно иные конструкции колебательных систем и активных элементов. На СВЧ вместо катушек индуктивности и конденсаторов используются резонансные цепи с распределенными параметрами: отрезки двухпроводных линий, полосковые линии передачи, объемные резонаторы. Применяемые в передатчиках СВЧ активные элементы отличаются большим разнообразием: от металлокерамических ламп и транзисторов специальной конструкции до уникальных приборов типа пролетных клистронов, многорезонаторных магистронов, ламп бегущей волны, гиротронов, квантовых генераторов. Во всем микрополосковом диапазоне успешно работают генераторы и усилители на твердотельных активных двухполюсниках: диодах Ганна, лавинно-пролетных и туннельных диодах и др. Широкое распространение на СВЧ получили модульные конструкции, в которых активный элемент и колебательная система выполнены как единое целое, что помимо увеличения прочности и надежности устройства существенно улучшают энергетические характеристики генераторов, на которые негативное влияние оказывают инерционность электронного потока и реактивности активного элемента (индуктивности выводов и межэлектродные емкости).

В диапазоне метровых, дециметровых и нижней части сантиметрового диапазона волн в качестве активных приборов большого уровня могут использоваться электронные лампы-триоды и тетроды.

В этих диапазонах необходимо, чтобы время пролета электронов в межэлектродном пространстве было малым, а индуктивность выводом, их емкости и вносимые ими потери были приведены к минимуму. Как известно, время пролета электронов через межэлектродное пространство в диоде определяется выражением:

, где  и  - соответственно расстояние и напряжение между электродами;  плотность тока катода;  и  - постоянные. Поэтому расстояние между электродами в металлокерамических лампах делают небольшими – от сотых долей до 1 мм, а сами электроды имеют очень малую площадь. Кроме того, увеличивают плотность токов в приборе. В металлокерамических триодах используются подогревные катоды с плотностью тока более 2 А/см². Для нормальной работы мощной лампы необходимо принудительное охлаждение. С этой целью аноды ламп снабжают радиаторами для воздушного или водяного охлаждения.

Применение керамики обеспечивает низкий уровень диэлектрических потерь, возможность получения точных размеров, высокую механическую прочность и термостойкость. Металлы, идущие для изготовления оболочки, должны хорошо спаиваться с керамикой и иметь стабильный коэффициент линейного расширения (титан, например). Для выполнения надежности и уменьшения габаритов аппаратуры СВЧ на триодах и тетродах промышленностью выпускаются так называемые “модули” СВЧ, представляющие собой неразборный блок (генератор, усилитель, умножитель) с впаянным в него активным элементом – металлокерамической лампой.

В настоящее время выпускаются металлокерамические генераторные лампы, позволяющие получать в дециметровом диапазоне длин волн мощность в несколько сотен кВт при к.п.д. 60…70%. В сантиметровом диапазоне ламповые генераторы обеспечивают мощность в сотни ватт в нижней части сантиметрового диапазона и единицы ватт в трехсантиметровом диапазоне. В импульсных режимах работы ламповые генераторы СВЧ позволяют получать мощности до единиц мегаватт.

Цепь согласования на СВЧ часто представляют контур, составленный из емкости (иногда межэлектродной) и объемного резонатора с индуктивным входным сопротивлением. Лампы с цилиндрическими, дисковыми или кольцевыми выводами хорошо сочленяются с резонаторами на отрезках коаксиальных линий, закороченных на конце. В ламповых усилителях применяют также контуры с отрезками короткозамкнутых полосковых линий, чаще всего с круглым или плоским центральным проводником, расположенным в прямоугольном экране или между двумя широкими проводящими линиями.