Принцип действия ЛОВ отличается от описанного для ЛБВ

тем, что движение электронов и нарастающей электромагнитной волны противоположны по направлению. Отсюда происходит на­звание — лампа обратной волны. Схема ЛОВ изображена на Принцип действия ЛОВ отличается от описанного для ЛБВ рис.9.2, б. Она также содержит подогреваемый катод 1, анод 2, коллектор 3, спираль 4, соленоид 5 и выход 6, но в отличие от ЛБВ, имеет согласованную нагрузку 7, расположенную в конце спирали, вблизи коллектора. Если бы замедляющая система была однород­ной, волна, распространяющаяся со стороны коллектора, по спирали, не имела бы эффективного взаимодействия с электронным пучком. Однако замедляющая система спирали представляет со­бой периодическую структуру, т. е. множество периодически повто­ряющихся неоднородностей. При определенной скорости v₀ элект­роны, двигающиеся навстречу распространяющейся от коллектора волны, могут при прохождении неоднородностей спирали встречать одну и ту же фазу электромагнитных колебаний. В этом случае вы­полняется условие синхронизма и происходит нарастание ампли­туды колебаний. Электроны отдают свою кинетическую энергию полю замедляющей системы, а электромагнитная волна, распрост­раняющаяся от согласованной нагрузки, переносит эту энергию на выход ЛОВ, модулируя при этом по скорости другие электроны, влетающие в поле спирали с катода. Таким образом, электронный пучок в ЛОВ представляет собой не только источник энергии для электромагнитных колебаний, но и звено положительной обратной связи, в результате действия которой и возникают колебания. Со­гласованная нагрузка 7 служит для улучшения согласования ЛОВ с трактом и уменьшения коэффициента отражения выхода генера­тора.

Характерная особенность и основное преимущество ЛОВ перед другими типами генераторов — это возможность плавной элект­ронной перестройки частоты генерируемых колебаний в широком диапазоне. Диапазон перестройки ЛОВ может достигать несколь­ких октав. ЛОВ чаще всего применяются в генераторах качаю­щейся частоты (свип-генераторах). Частота колебаний, генерируе­мых ЛОВ, может достигать 1500 ГГц.

Последние достижения в области полупроводниковой техноло­гии позволили создать транзисторы, которые можно использовать в качестве источников СВЧ колебаний. Принцип действия тран­зисторов при этом остается таким же, как в диапазоне более низ­ких частот, однако конструктивно элементы схемы СВЧ генерато­ра отличаются и имеют особенности, характерные для СВЧ диа­пазона. Частота колебаний транзисторных генераторов достигает нескольких ГГц. Принципиально могут быть разработаны генера­торы и усилители на полевых транзисторах со структурой ме­талл—окисел—полупроводник и металл—диэлектрик—полупро­водник в диапазоне частот до 40 ГГц. Преимуществом транзистор­ных генераторов по сравнению с генераторами на диодах Ганна и лавинно-пролетных диодах является низкий уровень шумов, т. е. более высокая стабильность частоты и выходной мощности. Час­тотный шум генераторов на диодах Ганна того же порядка, что и у генераторов с отражательным клистроном; амплитудные шумы примерно на 30 дБ меньше частотных.

В настоящее время ведутся поиски новых принципов генериро­вания электромагнитных колебаний, постоянно расширяются диа­пазоны частот и уровней выходной мощности генераторов, в раз­рабатываемые генераторы всех типов вводится автоматизация.

9.2 Типовые схемы генераторов сигналов СВЧ

Одна из особенностей СВЧ генераторов является сравнительна простая структурная схема. В них обычно отсутствуют замкнутые системы регулировки и подстройки параметров, оконечные усили­тели и другие узлы, присущие генераторам более низких частот. В общем виде структурная схема генератора сигналов СВЧ изобра­жена на рис. 9.3. Каждый из генераторов имеет задающий генера­тор, в качестве которого может быть клистрон, диод Ганна, ЛОВ, СВЧ транзистор или другой прибор, помещенный в специальную генераторную секцию.

Рис. 9.3 Структурная схема генератора

В этой же секции располагается съемник мощности, который представляет собой регулируемый или фикси­рованный элемент связи с задающим генератором, например, пет­ля связи в резонаторе. Обязательными элементами генераторов сигналов являются устройства для регулировки частоты и схема управления режимами генератора. Устройство для регулировки частоты может быть как очень простым, например, потенциометр постоянного тока для регулировки напряжения на управляющем электроде ЛОВ, так и достаточно сложным. В частности в ряде генераторов применяется устройство для механической перестрой­ки резонатора клистрона, связанное с механическим счетчиком, представляющим собой шкалу частоты генератора. Обычно часто­та генератора в диапазоне не имеет линейной зависимости от сме­щения регулирующего элемента, поэтому механический счетчик сложным образом связан с регулирующим элементом резонатора. В транзисторных генераторах некоторых типов применяют резона­торы с ферритовой перестройкой частоты. Устройство для пере­стройки в этом случае сравнительно простое — электромагнит, од­нако, к материалу, размерам и точности установки ферритовой сферы предъявляются достаточно жесткие требования, что делает устройство для перестройки частоты сложным по конструкции и при изготовлении.

Схема управления режимами генератора представляет собой переключатели и усилители видеоимпульсов, позволяющие согла­совать входные напряжения от внешних или внутреннего модуля­тора с напряжением и токами, управляющими работой задающего генератора. Обычно СВЧ генераторы имеют режим амплитудной импульсной модуляции и режим частотной модуляции. В послед­них моделях генераторов для импульсной модуляции часто приме­няют р—i—n диоды. В этом случае задающий генератор работает в режиме непрерывной генерации, а на выходе его в тракте уста­новлен р—i—п модулятор, представляющий собой быстродейству­ющий выключатель СВЧ колебаний. При этом схема управления подает модулирующий импульс не на задающий генератор, а на р—i—п модулятор.

В тех генераторах, где устройство установки частоты непосред­ственно не связано со шкалой прибора, применяют частотомер. Многие клистронные генераторы содержат резонансный волномер (с индикатором резонанса). В некоторых генераторах могут при­меняться электронно-счетные частотомеры с гетеродинными пре­образователями частоты. В ряде генераторов шкала частоты пред­ставляет собой табло в виде цифровых электронных индикаторов, однако, она не является шкалой электронно-счетного частотомера, а связана либо с управляющим ЛОВ напряжением, либо с датчи­ком линейных перемещений регулирующего элемента резонатора.

Аттенюатор и ваттметр обычно входят в схему генераторов стандартных сигналов. Генераторы сигналов могут не содержать этих устройств, так как не имеют калиброванного выхода. Ватт­метр может быть подключен к калиброванному выходу внешним (калиброванным) кабелем или может представлять собой ватт­метр проходного типа, который включается в измерительный тракт внутри генератора. В генераторах стандартных сигналов применя­ют наиболее простые диодные, термоэлектрические ваттметры или терморезисторный преобразователь, включенный в разбалансный мост.

Современные модели генераторов сигналов могут дополнитель­но к элементам схемы рис. 9.3 иметь дополнительные устройства, например, цифровую шкалу уровня мощности, микропроцессорный вычислитель, устройство ввода—вывода программ и команд. В це­лом, однако, такие устройства лишь дополняют, но не меняют об­щей структурной схемы генератора.

9.3 Структурные схемы генераторов СВЧ

Одним из типичных клистронных измерительных генераторов является генератор Г4-115. Он перекрывает диапазон частот вол­новода 7,2X3,4 мм (25,86—37,5 ГГц) с помощью трех клистронов на разные поддиапазоны. Его структурная схема незначительно отличается от приведенной на рис. 9.3. В частности, генератор Г4-115 не имеет калиброванного выхода и имеет вместо ваттметра детекторный индикатор уровня мощности, подключенный к задаю­щему генератору через направленный ответвитель. Для регулиров­ки уровня мощности на выходе генератора применяется некалиброванный механический аттенюатор с пластиной из поглощающего материала, вводимой в прямоугольный волновод.

Прибор Г4-115 имеет на передней панели два стрелочных инди­катора, один из которых регистрирует ток резонатора (режим ге­нерации клистрона), Другой в зависимости от положения пере­ключателя «ИНДИКАЦИЯ—РЕЗОНАТОР» — относительный уровень мощности или амплитуду колебаний в резонаторе часто­томера. Устройство установки частоты в генераторе Г4-115 не свя­зано со шкалой. Шкала частоты отградуирована в ГГц и представ­ляет собой диск с цифровыми отметками, который механически связан с перестраиваемым резонатором. Сигнал в резонатор по­ступает через направленный ответвитель, индикатором резонанса служит детекторная головка с усилителем сигнала детектора и стрелочный индикатор на передней панели генератора. Контроль сигнала резонанса одновременно осуществляется световым инди­катором. Световой индикатор удобен при поиске частоты генера­тора, когда приходится сравнительно быстро перестраивать часто­томер и из-за инерционности стрелочного индикатора можно не за­метить момент резонанса. Точная установка частоты осуществля­ется по максимальному отклонению стрелки индикатора. При этом кроме отсчета показаний по шкале резонатора необходимо вводить поправки согласно прилагаемому к каждому прибору графику частотных поправок. Дополнительно к элементам схемы рис. 9.3 генератор Г4-115 имеет переключатель поддиапазонов и устройст­во регулировки напряжения отражателя для настройки клистрона на максимальный уровень выходной мощности. Конструктивно ге­нератор Г4-115 выполнен в одном блоке, основные органы регули­ровки выведены на его переднюю панель. В генераторе использо­ваны, в основном, полупроводниковые приборы.

Современным генератором, построенным на диоде Ганна, явля­ется прибор Г4-156 (рис. 9.4). Генератор перекрывает диапазон частот 26—37,5 ГГц с помощью одного диода Ганна. Диод нахо­дится в коаксиальном резонаторе, перестраиваемом механически с помощью электронно-механического привода. В зависимости от положения поршня резонатора устанавливается определенная час­тота колебаний. Положение поршня резонатора определяется с помощью емкостного датчика и генератора-имитатора, которые имитируют текущее значение частоты. Вычислитель управляет ра­ботой двигателя электронно-механического привода таким образом, чтобы текущее значение частоты, полученное с генератора-имитатора, совпадало с заданным через устройство ввода.

Сигнал, генерируемый диодом Ганна, через волноводный вен­тиль поступает на управляемый аттенюатор, выполненный на р—i—n диоде. Уровень мощности в относительных единицах уста­навливается с помощью устройства ввода, вычислителя и цифро-аналогового преобразователя — ЦАП. Калиброванного выхода генератор Г4-156 не имеет. Амплитудная модуляция меандром с частотой 1 кГц осуществляется р—i—n модулятором; глубина мо­дуляции составляет не менее 20 дБ.

Рис. 9.4 Схема генератора сигналов Г4-156

Возможна внешняя модуляция меандром частотой 0,4—3 кГц и длительностью фронта и среза радиоимпульса 100 мкс. Внешняя электронная перестройка часто­ты возможна в сравнительно узкой полосе (3 МГц) синусоидаль­ным или пилообразным сигналом частотой 0,05—10 кГц.

Генератор Г4-156 выполнен на микросхемах и полупроводни­ковых приборах. Кроме обычных, для генераторов сигналов функ­ций оп позволяет производить управление частотой и мощностью сигнала по внутренней программе, которая закладывается в опе­ративное запоминающее устройство вычислителя. Аналогично уп­равление этими параметрами может производиться дистанционно от внешней ЭВМ. Масса генератора Г4-156 в три раза меньше, чем у генератора Г4-115, работающего в том же частотном диапазоне.

Многие типы генераторов миллиметрового диапазона длин вол в выполнены на базе ЛОВ. К ним относятся генераторы Г4-141, Г4-142, генераторы качающейся частоты панорамных измерителей Р2-65, Р2-68, Р2-69 и другие. Схема генераторов Г4-141, Г4-142 также содержит задающий генератор, устройство установки частоты, совмещенное со шкалой, схему управления режимами ге­нератора, аттенюатор и внутренний модулятор (см. рис. 9.4). Од­нако устройство установки частоты и шкала этих приборов прин­ципиально отличаются от аналогичных устройств клистронных ге­нераторов. Частота генерации ЛОВ перестраивается путем изме­нения напряжения на замедляющей системе, а выходная мощность генератора может регулироваться не только аттенюатором, как в других генераторах сигналов, а путем изменения напряжения на управляющем электроде. Благодаря этому приборы Г4-141 и Г4-142 могут управляться от ЭВМ дистанционно. Частота генера­ции задается в виде кода с разъема дистанционного управления или от собственного кодового переключателя, который представ­ляет собой четыре независимых переключателя, каждый из них имеет 10 оцифрованных положений. Положение первого переклю­чателя указывает десятки ГГц, второго — единицы и т, д. Таким образом, кодовый переключатель представляет собой одновремен­но и частотную шкалу. Погрешность установки частоты составля­ет 1—1,5 % и обеспечивается точной аппроксимацией нелинейной зависимости частоты ЛОВ от напряжения на замедляющей систе­ме ломаной линией, состоящей из десяти отрезков прямой.

Генераторы Г4-141, Г4-142 могут перестраивать частоту не только от подаваемого кода, но и от внешнего источника напряже­ния. В определенных режимах работы перестройка частоты осу­ществляется либо во всем диапазоне, либо в пределах 0,5 ГГц при подаче на соответствующий вход прибора напряжения.

Внутренний модулятор обеспечивает модуляцию СВЧ колеба­ний меандром частотой 1 кГц. В режиме внешней модуляции час­тота меандра может задаваться от 1 до 100 кГц. Генераторы Г4-141, Г4-142 не имеют ответвителя, частотомера, ваттметра и ка­либрованного аттенюатора, указанных на рис. 9.3. Характерная особенность генераторов указанного типа — использование высо­ковольтного изолятора между корпусом ЛОВ и ее волновым волноводным фланцем, так как корпус, используемый ЛОВ, соединен по постоянному току с ее катодом.

Генераторы качающейся частоты (ГКЧ), входящие в приборы Р2-65 — Р2-69, имеют структурную схему, аналогичную представ­ленной на рис.9.3, с некоторыми дополнениями. ГКЧ имеют две шкалы частот: одна из них грубая и совмещена с потенциометра­ми установки частоты или пределов перестройки генераторов; дру­гая шкала резонансного частотомера обеспечивает измерение с за­данной точностью. Вместо встроенного ваттметра в ГКЧ имеется датчик мощности, который может быть включен в замкнутое коль­цо системы автоматической регулировки мощности, обеспечиваю­щей ее постоянство на выходе. Внутренний модулятор обеспечивает модуляцию СВЧ колебаний меандром частотой 100 кГц. Ка­либрованный аттенюатор в ГКЧ отсутствует.

Резонансный частотомер, встроенный в ГКЧ, не имеет индика­тора резонанса. Вместо него в ГКЧ имеется детектор и усилитель-сигнала частотомера. Усиленный сигнал подается на осциллографический индикатор панорамного измерителя КСЗН и виден на экране индикатора в виде частотной метки.