ГЕНЕРАТОРЫ И ИНДИКАТОРЫ МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН, волноводный ТРАКТ; МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ СОГЛАСОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАКТА

§ 1. Генераторы миллимстромых волн

Первыми источниками миллимеrpnнl,l моли были искровые генераторы. В 1895 году известный русский ученый П Н Лебедев применил для исследования электрических сиойств диэлектриков на сверхвысоких частотах искровой гемсритор адгктромагннтных

воли ДЛИНОЙ ВОЛНЫ 6 ММ-

В i923 году А А Глаголева Аркнлып,! i гмдалн массовый излучатель, основанный на искровом возбуждении электромагнит ных воли, па котором получила полны ллимой я.о 0,08 мм. запол-иивш,ие интервал между волнами Лебеагв,! (X - 6 мм} \\ инфракрасными лучами Рубенса {к Л40 мк)

Развитие электроники сверхшэюоких ча( т(о привело к созданию нескольких видов генераторов миллиметровых волн Наиболее распространенными из них являются «листроиные ггисраторы, магнетрониые и генераторы гармоник

Кроме того, миллиметровые волны можно И1)лучить с помощью ламп с бегущей и обратной волной, газоразрядного юнсратора шумов и молс1куляр1ого генератора. В последнее время ведутся разработки генераторов, использующих Д:л)фект Черегжова, Эффект Допплера и др.

КлистроН(Ные геисраммы. П каиссте источника коле баний в измерительных генераторах iia!iOii..iee часто мримомяюки отражательные клистроньг Принцип дсйспио! прибора основан иа использовании явления:*лектронной irpyiimipoBKH В установившемся режиме колебаний механизм самовозбуждения и отражательном клистроне можно представить следуюниш образом.

Поток электронов, эмитируемых катодом, ускоряется положи тельным потенпиалом, приложенным к резонатору (рис I)

Под действием псремспного высокочаст<1тиогопапряжсппя «-" sin (ut между сетками резонатора элоктропный поток модулируется

по скорости, пролетев через сетки, электроны попадают в область действия отрицательного потанциала отражателя. Благодаря этому они тормозятся и начинают двИгаться в обратном направлении к резонатору.

В пространстве между сетками и отражателем электроны группируются в сгустки. Расстояние между отражателем и резонатором и напряжения на них выбираются так, что сгустки электронов в потоке вновь пройдут через сетки резонатора в момент, когда электрическое поле высокой частоты будет тор.мозить электроны, т. е. электронный поток будет отдавать свою энергию электромагнитному полю резонатора.

Самозозбуждеиие отражательного клистрона достигается только при определенном

Отражатель

Резонатор

MOt/Od

Рис. 1. Схема отражательного клистрона.

напряжении на отражателе и резонаторе.

Предельно достижимая длина волны для отражательных клистронов лежит в миллиметровом диапазоне воли, что связано с значительными потерями в колебательной системе и трудностями изготовления элементов конструкции клистронов с высокой степенью точности (в некоторых случаях с точностью до долей микрона). В последние годы методом моделирования созданы миллиметровые клистроны, работающие на волнах до 4 м,м и имеющие выходную мощность До 30 мет.

М а гн е т р о н н ы е генераторы, Принцип действия мно-горезонаторного глагнетронного генератора, разработанного советскими учеными Н- Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым, основан на взаимодействии с полем резонаторов, расположенных в анодном блоке магнетрона, электронного потока, управляемого постоянным магнитным полем, и электрическим напряжением (импульсным или псстоя!:ным), пpиклaJывae!ым между катодом и анолом магнетрона. Б установившемся режиме колебаний под воздействием постоянных магнитного и злектрического полей, а также высокочастотного гтсля резонаторов пространственный зарял приобретает форму колеса со спицами. На рис. 2 схематически показан характер распределения поля и пространственного заряда в миогорезо-наторном магнетроне. К и Л - катод и анод магнетрона, соответственно. Н-магнитное поле, Q - пространственный заряд.

В настоя!!!ес- вр?-\]я создаггы импульсные магнетрсч1п. так и магнетроны с непрерывным излучением в диапазоне мтдимет-ровых волн.

энергии

Генераторы гармоник. Известно, что в цепи кристаллического детектора при воздействии на него высокочастотного колебания частоты f, благодаря нелинейности характеристики детектора появляются токи частоты я/ {где л - целое положительное число - номер гармоники), интенсивность которых тем меньше, чем больше номер гармоники. Если с помощью какой-либо схемы выделить гармоническую составляющую, то ее можно использовать как источник колебания более высокой частоты.

При воздействии на детектор двух сигналов разных частот в цепи детектора появятся токи комбинационных частот ±mfi ±п/г. где т и п -целые и положительные числа. При удвоении, например, удается получить сигналы мощностью порядка нескольких процентов от мощности, подводимой на основной частоте. Комбинационные частоты по амплитуде могут достигать больших значений, чем амплитуды гармоник того же порядка.

Одни из путей получения энергии в диапазоне миллиметровых волн состоит в умножении и преобразовании частоты, даваемой источником более длинноволнового диапазона. Для умножения и преобразования частот используются как кремниевые, так и германиевые

детекторы. По велиине коэффициента преобразования они примерно эквивалентны, ио германиевые детекторы более стабильны.

Кристаллические умтожители позволяют получить миллиметровые волны интенсивностью, достаточной для некоторых измерений. Использование же комбинационных частот, возникающих в цепи кристаллического детектора при одновременном воздействии на него колебаний двух источников более длинноволнового диапазона, один из которых перестраиваемый, позволило осуществить плавное перекрытие участка миллиметровых волн.

На рис 3 представлена принципиальная схе.ма умножения частоты путем выделения гармоники с помощью кристаллического детектора. Основная частота \\ поступает в настраиваемую секцию волновода. Гармоника с частотой Щх выделяется кристаллом в верхнем встноводе. который по размерам соответствует этой гармонике и меньше критических размеров для основной частоты.

На рис. 4 приведена принципиальная схема умножения частоты с помощью комбинационных частот, возникающих в цепи кри*

Ряс. 2- Распределенне поля и пространственного заряд» в миогорезонаторном магнетроне.

сталлического детектора при вшдействии на пего двух генератороа; К с частотой / и М с частотой /V

§ 2. Индикаторы миллиметровых воли

Индикаторы миллиметровых волн служат для выявления электромагнитных колебаний и оценки их интенсивности. Исходя из принципа действия, существующие индикаторы миллиметровых волн можно разделить на следующие основные группы: термоэлементы (термопары), термосопротнвления (болометры, термисторы), нелинейные элементы (кристаллические детекторы и др.). мис.пж

Вь/ходноО фланец

Рис. 3. Принципиальная схема умножения чэ- Рис- 4 Принципиальиая схема стоты с помощью кристаллического детектора. преобразоваиия частоты.

Принцип действия термоэлемента (термопары) в качестве инди катора колебаний основан на эффекте теплового действия электромагнитных колебаний, за счет чего в месте спая проводников из различных материалов появляется термоэлектродвнжущая сила, которая контролируется стрелочным прибором постоянного тока.

Термоэлементы были одними из первых индикаторов электромагнитных колебаний, ими широко пользовались физики в конце прошлого века. П. Н. Лебедев в своих опытах применял термоэлементы для регистрации затухающи.х- колебаний миллиметровог" диапазона волн

Термоэлементы могут быть использованы для индикации электромагнитной энергии, излучаемо!! в ппостранство. и электпомзг нитных колебаний в передающих линиях и контурах. На рис 5 приведена схема включения бесконтактного термоэлемента в полу-волнОБЫЙ вибратор. Если полотение такого вибратора относительно нтенны передающего устройства ке изменяется, то величина тока в термоэлементе может ст>жмть тля контроля выходной •!ошносл: передатчика

Принцип действия индикатора колебаний с использованием тер-мосопротивлеиия основан на изменении сопротивления этого эле мента при воздействии высокочастотной энергии. В качестве термосопротивления наиболее часто применяются болометры и термисторы, которые имеют большой температурный коэффициент сопротивления и поэтому обладают достаточно высокой чувствительностью к изменению интенсивности колебаний.

В настоящее время в качестве индикаторов миллиметровых волн широко прнменя ются кристаллические детекторы, благодаря нелинейным свойствам которых возможно детектирование или преобразование сигнала в более низкие частоты, доступные контролю простыми средствами.

В диапазоне миллиметровых волн используются как германиевые, так и кремниевые детекторы. Чувствительность их обычно не превышает 0,7 мка/мквт и зависит от ряда факторов: качества остроты контактной пружинки, ее нажима.

На рис. 6 приведена конструкция детекторной камеры четырех-миллиметровэ о диапазона с одним элементом настройки - бесконтактным короткозамыкаю-щим поршием, обеспечивающим согласование до к. с. в. п. < 2.

Такого согласования с одним органом настройки удается достигнуть благодаря применению вибратора сравнительно большого диаметра.

Рис. -5. С.ема включения бес контактного термоэлемента в лолуволновой вибратор.

Кристалла,

Рве. 6. Конструкция детекторной голоаки мил лиметроБОго диапа-зона.

§ 3, Волноводный тракт; влияние степени согласования элементов тракта на точность измерения

В радиотехнике миллиметрового диапазона, как и в технике сантиметровых волн, широко используется передача злскгромагнит-нь1х воли по волноводам. Это имеет место как в обшей аппаратуре миллиметрового диапазона, так и, особенно, в измеритель iOH аппарат\ пе. В ол ново ли ын тракт начинающийся or rent, ратора мтилиметровых волн, включает в себя волноводные линии передачи, переходы, соединения, различные регулирующие.