Введение в СВЧ компоненты: что это такое, основные принципы работы

Как работают СВЧ компоненты

С помощью СВЧ компонентов осуществляется динамическое управление электронным потоком. Они меняют его скорость, а не плотность. В результате изменения скоростей движения электронов образуются области разряжения и сгущения. Это повышает эффективность передачи энергии электронами электромагнитному полю. При взаимодействии с ним передается кинетическая или потенциальная энергия.

Для образования областей скопления электронов или зон разряжения используются следующие компоненты:

• Электронная пушка или катод генерирует поток электронов.
• Модулятор изменяет скорость электронов. Строится на базе модуляционных волноводов.
• Пространство дрейфа – отбирает электроны для создания областей их скопления. Тут скопления электронов движется с постоянной скоростью или ускорением.
• Коллектор или электрод собирает отработавшие электроны.

Катод состоит из основания с выступами на внутренней поверхности. Иногда они покрываются алюминиевой пленкой. В основание вставляются компоненты из спеченных вольфрамовых губок с пористой структурой. Дополнительно они пропитываются пластификаторами. После их установки катод обжигается в вакууме или в водородной среде при температуре от +700º до +1200ºC в течение 30 минут.

Коллектор выдерживает высокую импульсную и тепловую нагрузку. Зачастую функцию коллектора выполняет мембрана из бериллия. Она охлаждается с помощью корпуса из меди. Такой коллектор используется в клистроне.

Модулятор для СВЧ-приборов состоит из двух ферритовых вставок. Одна является входом, вторая, – выходом. Между ними есть зазор. К вставкам подключаются диоды.

Иногда в СВЧ компонентах источником электронов являются нагретые металлические нити. Каждая из них генерирует пучки электронов, которые движутся к аноду. Для их удержания не нужно магнитное поле. Эта особенность позволяет делать небольшие, но мощные СВЧ компоненты. Мощность усиливаемых или генерируемых колебаний увеличивается за счет источника постоянного напряжения.

СВЧ-приборы комплектуются следующими типами усилителей мощности:

• Двунаправленные – сигнал усиливается в двух направлениях.
• Трансимпедансные – преобразуют ток в напряжение.
• Операционные – обрабатывают сигналы произвольной формы в широком диапазоне частот.
• Логарифмирующие – обеспечивают компрессию динамического диапазона входящего сигнала. С их помощью регулируется мощность на выходе.

Есть специализированные усилители, но они производятся под определенные системы.

По такому принципу работает СВЧ компонент магнитрон. Его создали в 60-х годах прошлого столетия советские ученые для нагрева плазмы при проведении экспериментов с ядерным синтезом. Впоследствии магнитрон стал основным компонентом микроволновых печей, которые получили широкое распространение. Но существуют СВЧ компоненты с другими принципами действия.

Гиротрон

Принцип его работы основан на вращении сгустков электронов в магнитном поле. Для его создания используются магниты высокой мощности. В результате воздействия поля на электроны генерируются радиоволны высокой частоты, которые направляются в плазму для ее нагрева. Из-за необходимости создавать мощное магнитное поле гиротрон весит около тонны, отличается большими размерами. Его используют для нагрева большой площади, воздействия на скопления людей. Это СВЧ-устройство генерирует широкий луч, который, при попадании на кожу провоцирует ощущение жжения.

Лампа бегущей волны

Принцип ее работы основан на усилении сигнала через взаимодействие пучков электронов с электрическим полем. Усилить сигнал таким образом можно до 100 тыс. раз. Поэтому лампы бегущей волны активно используются военными для создания средств радиоэлектронной борьбы или РЭБ, производства передатчиков для авиации.

Производятся лампы бегущей волны с кольцевым стержнем. Он состоит из колец, которые соединены друг с другом стержнями. Такая конструкция значительно повышает коэффициент усиления. Это достигается за счет увеличения напряжения поля пучков электронов.

Они отличаются большими размерами, достигают в длину 3-х метров. Ими комплектуются радарные системы глобального слежения. С помощью этого оборудования отслеживаются запуски ракет-носителей в космос и мутники на низкой орбите Земли.

Клистрон

Это СВЧ компонент превращает кинетическую энергию в радиочастотную. Он отличается высокой выходной мощностью. По этому показателю клистроны значительно превосходит лампы бегущей волны.

Принцип их действия схож с гиротроном, но магнитное поле (создается постоянным или электромагнитом) не позволяет скоплению электронов расширяться при движении к аноду. Между ним и коллектором размещаются полостные резонаторы. С их помощью генерируется магнитное поле, которое удерживает скопления электродов от расширения, замедляет скорость их движения. За счет этого на выходе создается сигнал, который значительно мощнее входящего.

Помимо физики, клистроны используются для решения следующих задач:

• досмотра грузов;

• лечения онкологии – клистронами комплектуется оборудование для облучения опухолей;
• стерилизации различной продукции, пищи.

Также клистроны применяются в оборудовании, обеспечивающем связь, энергетической отрасли.

Убитрон или лазер на свободных электронах

Работа этого СВЧ компонента основана на волнистости, периодичности взаимодействия электромагнитной волны в волноводе. Так радиочастотная мощность доводится до максимальных показателей. Она достигает 150 кВт при частоте 54 ГГц. Убитрон используется в науке для генерации плотной материи, а также:

• изучения процессов, протекающих при образовании газовых планет;
• отслеживания химических связей;
• исследования различных процессов.

Применение убитрона или лазера на свободных электронах ограничено, так как только специальные волноводы и антенны способны выдержать такую высокую мощность.

Коакситрон

Этот СВЧ устройство отличается от других уникальной конструкцией. В нем пучки электронов создают многочисленные металлические нити. У каждой нити собственный пучок, который движется к аноду радиально, поэтому для их удержания не нужно создавать магнитное поле. Это делает СВЧ устройство компактным.

Коакситроны применялись при производстве радаров военного назначения. Но сегодня эти СВЧ устройства считаются устаревшими, поэтому не пользуются высоким спросом.

Карцинотрон

Это СВЧ-устройство еще называют лампой обратной волны, так как радиочастотные колебания направлены противоположно движению электрону. Это его главное отличие от магнетрона. При этом частота колебаний меняется в зависимости от напряжения. Карцинотрон может комплектоваться модулирующим магнитом. Он сочетает компактные размеры с высокой мощностью. Карцинотроны использовались преимущественно военными. Многолучевой вариант устройства применяется европейскими учеными.