Электроника:Полупроводники/Электронные лампы/Микроволновые электронные лампы

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Микроволновые электронные лампы

Для приложений с очень высокими частотами (от 1 ГГц и выше) межэлектродные ёмкости и задержки времени прохождения для стандартной электронной лампы недопустимы. Однако, по всей видимости, возможности для творчества при создании новых ламп новыми безграничны, и было создано несколько конструкций высокочастотных электронных ламп, преодолевающих эти проблемы.

В 1939 году было обнаружено, что тороидальная полость, сделанная из проводящего материала, называемая полостным резонатором, окружающая пучок электронов колеблющейся интенсивности, может извлекать энергию из электронного луча, фактически не перекрывая сам луч. Колеблющиеся электрические и магнитные поля, связанные с лучом, «отражаются» внутри полости, подобно звукам проезжающих автомобилей, эхом отражающихся в придорожном кювете, позволяя передавать высокочастотную энергию от пучка к волноводу или коаксиальному кабелю, подключённому к резонатору с помощью контурной «связи». Трубка была названа индуктивной выходной трубкой (или, если угодно, индуктивной выходной лампой) – сокращённо ИВТ:

Рис. 1. Индуктивная выходная трубка (лампа).

Два исследователя, участвовавшие в первоначальной разработке ИВТ, братья Вариан – Сигурд и Рассел – добавили второй объёмный резонатор для входного сигнала в индуктивную выходную лампу. Этот входной резонатор действовал как пара индукционных сеток, поочерёдно «группируя» и выпуская порции электронов в дрейфовую область трубки, так что электронный пучок фактически состоял из электронов, движущихся с очень разными скоростями. Эта «модуляция скорости» луча трансформировалась в эквивалентное изменение амплитуды в выходном резонаторе, где из пучка отбиралась энергия. Братья Вариан назвали своё изобретение клистроном.

Рис. 2. Клистроновая лампа.

Ещё одним изобретением братьев Вариан стала рефлекторная клистроновая трубка (или просто рефлекторный клистрон). В этой лампе электроны, испускаемые нагретым катодом, проходят через сетки резонатора по направлению к пластине отражателя, отталкиваются от него и возвращаются обратно тем же путём (потому и «рефлексия», т.е. «возвращение», «отражение», «отталкивание») через сетки резонатора. В этой трубке развиваются самоподдерживающиеся колебания, частоту которых можно изменять, регулируя напряжение отражателя. А значит, можно сказать, что эта лампа работает как генератор, управляемый напряжением.

Рис. 3. Рефлекторная клистроновая лампа.

В качестве генератора, управляемого напряжением, рефлекторные клистронные трубки обычно служили «гетеродинами» для радиолокационного оборудования и микроволновых приёмников:

Рис. 4. Рефлекторная клистроновая трубка, используемая как генератор, управляемый напряжением.

Изначально разработанные как маломощные устройства, выход которых требовал дальнейшего усиления для использования в радиопередатчиках, конструкция рефлекторного клистрона была усовершенствована до такой степени, что лампы сами по себе могли служить в качестве источников питания. С тех пор рефлекторные клистроны давно вытеснены полупроводниковыми приборами в применении в качестве гетеродинов, но усилительные клистроны продолжают применяться в мощных высокочастотных радиопередатчиках и в научных исследованиях.

Есть одна разновидность микроволновой лампы, настолько хорошо и бюджетно справляющейся со своей задачей и по сей день, что она продолжает доминировать в конкурентной сфере потребительской электроники: магнетронная лампа. Это устройство является сердцем каждой микроволновой печи, генерируя несколько сотен ватт микроволновой радиочастотной энергии, используемой для нагрева пищи и напитков, и делает это в самых неблагоприятных условиях для лампы: включается и выключается в случайное время и на произвольную продолжительность времени.

Магнетронные трубки представляют собой совершенно принципиально иной тип ламп, чем ИВТ и клистрон. В то время как в последних используется линейно направленный электронный пучок, магнетрон с помощью сильного магнитного поля направляет свой электронный пучок по круговой траектории:

Рис. 5. Магнетроновая лампа. За счёт магнитного поля пучок электронов имеет круговую траекторию.

И опять же – объёмные резонаторы используются в качестве «колебательных контуров» на сверхвысоких частотах, индуктивно извлекающих энергию из проходящего рядом пучка электронов. Как и все микроволновые устройства, использующие объёмный резонатор, по крайней мере одна из резонаторных полостей имеет отводы с помощью контура связи: петли из проволоки, магнитно соединяющие коаксиальный кабель с резонансной полостью, позволяют направлять ВЧ-мощность из трубки к нагрузке. Если речь о микроволновой печи, то выходная мощность направляется через волновод к нагреваемой еде или напитку, а молекулы воды внутри действуют как крошечные нагрузочные резисторы, рассеивая электрическую энергию в виде тепла.

Магнит, необходимый для работы магнетрона, на схеме не показан. Магнитный поток проходит перпендикулярно плоскости кругового пути электрона. Другими словами, если посмотреть на трубку, показанную на схеме, вы глядите прямо на один из магнитных полюсов.