Заключение

Еще 10-12 лет тому назад в электронике СВЧ, охватывающей диапазон электромагнитных колебаний с частотами от 300 мгц (λ = 1 м - дециметровые волны) до 3000 Ггц (λ = 0,1 мм - субмиллиметровые волны), использовались практически только электровакуумные СВЧ приборы: диоды и триоды, отражательные и усилительные клистроны, магнетроны, ЛБВ и ЛОВ типов О и М. Исключение составляли, пожалуй, только смесительные полупроводниковые диоды, прочно вошедшие в практику радиоприемной и измерительной СВЧ техники еще в конце сороковых годов.

За последнее десятилетие семейство приборов диапазона сверхвысоких частот значительно пополнилось квантовыми усилителями и большой группой новых полупроводниковых приборов: туннельными диодами, варакторами, p-i-n диодами, лавинно-пролетными диодами, диодами Ганна, диодами и транзисторами с барьером Шоттки и др.

Появился в литературе ряд сообщений о создании лабораторных макетов плазменных усилителей и генераторов, в которых используется взаимодействие электронного потока с плазмой.

Изобретение и стремительное развитие квантовых приборов обусловило освоение радиоэлектроникой нового, оптического диапазона электромагнитных колебаний с частотами от 3000 Ггц (λ = 0,1 мм - инфракрасные волны) до 3·10⁷ Ггц (λ = 0,01 мкм - ультрафиолетовые волны). О важности этого диапазона с точки зрения повышения информационной емкости линий связи, увеличения точности систем радиовизирования, их помехозащищенности и др. уже говорилось в гл. 7.

Таким образом, за последние 10 лет в электронике сверхвысоких частот наряду с электровакуумными СВЧ приборами прочное место завоевали полупроводниковые и квантовые приборы. Верхняя частотная граница использования электромагнитных колебаний в радиоэлектронике отодвинулось еще дальше от миллиметровых до ультрафиолетовых волн. Уже сейчас трудно отделить электронику СВЧ, базировавшуюся ранее почти исключительно на электровакуумных приборах, от полупроводниковой электроники. Электроника СВЧ становится во многом полупроводниковой, а полупроводниковая электроника, еще недавно исключительно низкочастотная, прочно завоевывает диапазоны сверхвысоких и оптических частот. Не менее трудно провести в настоящее время границу между электроникой СВЧ и квантовой электроникой. Квантовые парамагнитные усилители с успехом конкурируют по ряду параметров с "классическими" электронными СВЧ усилителями на лампах бегущей волны. В ряде работ получает развитие квантовое рассмотрение взаимодействия электронного потока с электромагнитными полями вблизи замедляющих или резонансных систем, в результате которого возникает квазииндуцированное излучение. По-видимому, в ближайшие годы связь между электроникой СВЧ, полупроводниковой и квантовой электроникой будет еще более расширяться и углубляться.

Однако наряду с рождением и развитием новых направлений электроники СВЧ совершенствовались и развивались "классические" электронные СВЧ приборы. Работы в этом направлении характеризовались стремлением улучшить основные параметры приборов: повысить мощность колебаний в генераторных приборах и коэффициент усиления в приборах усилительного типа, увеличить их к. п. д., снизить уровень собственных шумов, расширить диапазон рабочих частот и т. д.

Так, например, в последнее время вышли из стадии лабораторных разработок усилительные клистроны с распределенным взаимодействием (твистроны). В этих приборах для группирования электронного потока используют ряд обычных объемных резонаторов. Процесс передачи энергии от электронов полю осуществляется в выходных каскадах, выполненных в виде отрезков замедляющих систем. Такое сочетание узкополосных колебательных систем с замедляющей структурой позволило повысить эффективность взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем и расширить полосу рабочих частот. Твистроны используются в качестве мощных усилителей, обеспечивающих на выходе мощность в импульсе до нескольких десятков мегаватт при ширине полосы частот, превышающей полосу частот усилительных клистронов и ЛБВ.

Дальнейшее развитие получили и многорезонаторные магнетроны. В последние годы начинают применяться разновидности этих приборов: коаксиальные магнетроны, обращенные коаксиальные магнетроны и ниготроны. В коаксиальном магнетроне обычный анодный блок многорезонаторного магнетрона помещен в цилиндр большего диаметра. Пространство, ограниченное внешней поверхностью анодного блока, внутренней поверхностью цилиндра и торцевыми дисками, образует коаксиальный резонатор. Один из торцевых дисков может перемещаться по оси прибора и, изменяя объем резонатора, настраивать его на рабочую длину волны. В теле анодного блока магнетрона, между его резонаторами, прорезаны щели, через которые обеспечивается связь между пространством взаимодействия магнетрона и коаксиальным резонатором. Использование внешнего коаксиального резонатора позволяет повысить стабильность частоты колебаний и улучшить отделение π-колебаний от колебаний других видов.

В обращенном магнетроне анодный блок как бы вывернут наизнанку. В медном цилиндре высверлено внутреннее отверстие большого диаметра, служащее стабилизирующим цилиндрическим резонатором. На внешней поверхности этого цилиндра расположены резонаторы щелями наружу. В полостях объемных резонаторов также прорезаны узкие щели, обеспечивающие связь между резонаторами и внутренним объемом цилиндрического резонатора. Анодный блок помещается в соосный с ним цилиндр большего диаметра. Внутренняя поверхность этого цилиндра служит катодом. Таким образом, пространство взаимодействия образуется между внутренней поверхностью внешнего цилиндра (катодом) и внешней поверхностью анодного блока, на которой расположены резонаторы магнетрона. Такая конструкция позволяет увеличить мощность колебаний за счет большей эффективной поверхности катода и повысить стабильность частоты.

Представляют определенный интерес появившиеся в последние годы модификации ЛБВ типа М, в которых холодный катод или его часть используется как эмиттирующий катод. Такие приборы, получившие наименование дематронов и бидематронов, отличаются повышенной выходной мощностью, более высоким к. п. д. и широкой полосой пропускания.

Особое место занимают приборы, называемые мазерами циклотронного резонанса (МЦР). В этих приборах поток ускоренных электронов попадает в объемный, например в цилиндрический, резонатор, помещенный в продольное (осевое) постоянное магнитное поле. В результате внутри резонатора электроны движутся по спиралевидным траекториям параллельно оси цилиндра. Вращательное движение электронов характеризуется циклотронной частотой

где В - индукция постоянного магнитного поля. При равенстве циклотронной частоты частоте электромагнитных колебаний в резонаторе происходит группирование электронов в сгустки, которые затем передают энергию электромагнитному полю. На этом принципе могут быть созданы приборы, являющиеся аналогами клистронов, ламп бегущей и обратной волны. МЦР - генераторы и усилители- позволяют получать значительные мощности в коротковолновой части СВЧ диапазона и отличаются весьма высоким к. п. д.

Перечень приборов, находящихся на границе лабораторных исследований и практического использования, можно было бы продолжить.

Современный уровень состояния электровакуумных, полупроводниковых и квантовых СВЧ приборов иллюстрируется табл. I и II, в которых показаны наибольшая мощность и наименьшая температура шумов для различных приборов в диапазоне сверхвысоких частот. В графе "диапазон частот" указаны частоты, которым соответствуют величины мощности или температуры шумов, приведенные в соответствующих графах таблиц. Значения указанных частот не следует рассматривать как границы частотного диапазона работы прибора, который во многих случаях значительно шире. В пределах приведенного в таблицах интервала частот мощность и температура шумов изменяются, как правило, монотонно. В тех случаях, когда эти зависимости имеют экстремум, приводятся примерные значения, экстремальной величины и соответствующей ей частоты.

Таблица I

Таблица II

Данные, приведенные в таблицах, не претендуют на высокую точность: во многих случаях они усреднены, так как в литературе часто встречаются разноречивые данные, в особенности для максимальных величин мощностей, полученных при исследованиях приборов новых типов.

Как видно из табл. I, наибольшие мощности (до сотен мегаватт) в импульсе получены на выходе усилительных клистронов, магнетронов и мощных ЛБВ. В широких диапазонах частот с незначительным изменением выходной мощности используются магнетроны, лампы бегущей и обратной волны, отражательные клистроны.

О значительном развитии полупроводниковой СВЧ электроники свидетельствуют данные о мощностях, полученных в импульсном режиме на выходе генераторов на диодах Ганна и лавинно-пролетных диодах. Значительно продвинулись в область сверхвысоких частот (до 7-8 ГГц) транзисторы.

Вполне понятно, что в тех устройствах, где требуется получение очень больших мощностей, полупроводниковые приборы не могут, в силу своей физической природы, конкурировать с приборами электровакуумными. Однако иные достоинства: малые габариты, высокая надежность, низкий уровень шумов - обеспечивают этим приборам широкое применение в ряде областей электроники СВЧ.

Серьезные успехи достигнуты и в области повышения чувствительности приемных устройств СВЧ диапазона. Уровень собственных шумов мазеров и параметрических усилителей, работающих при гелиевых температурах, близок к пределу: температура шумов этих приборов лишь на несколько градусов превышает эквивалентную шумовую температуру земной атмосферы.