Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Генератор СВЧ колебаний, как и любой генератор, состоит из колебательной системы и устройства для обеспечения не­затухающих колебаний.

В геодезических радиодальномерах используется сантимет­ровый диапазон волн (10 см или, чаще, 3 см). В качестве ко­лебательной системы для этого диапазона используется объем­ный резонатор, роль которого аналогична роли колебательного контура на менее высоких частотах, а обеспечение режима не­затухающих колебаний достигается при помощи того или иного электровакуумного или полупроводникового прибора, предна­значенного для работы на СВЧ.

Из электровакуумных СВЧ-приборов в радиодальномерах обычно применяется отражательный клистрон. При этом кли-

строн и объемный резонатор образуют особую конструкцию, в которой резонатор является необходимой составной частью клистрона. Для волн 3 см и менее эта конструкция неразъемна (клистрон с внутренним резонатором), а для волн 10 см кли­строн работает с внешним резонатором и может отделяться от него (например, для замены).

Кроме клистронного генератора, для волн указанного диа­пазона может применяться генератор на полупроводниковых приборах. В таком генераторе могут использоваться СВЧ-тран — зистор, лавинно-пролетный диод (ЛПД) или диод Ганна, поме­щаемые в объемный резонатор.

Объемные резонаторы. Конструкции объемных резонаторов могут быть различными. В клистронных генераторах обычно применяется тороидальный резонатор вида, показанного на рис. 68. В полупроводниковых генераторах используется разно­видность тороидального резонатора, называемая коаксиальным резонатором (рис. 69). Его можно рассматривать как короткий отрезок коаксиальной линии с внутренним проводником Л, ко­роткозамкнутый на одном конце и имеющий емкость на другом.

Колебательная система в виде объемного резонатора обла­дает гораздо большей добротностью, чем обычный колебатель­ный контур. Так как резонатор представляет собой замкнутый объем, ограниченный металлической поверхностью, являющейся хорошим экраном, то электромагнитное поле существует только внутри резонатора, т. е. отсутствуют потери на излучение в ок­ружающее пространство. Вывод (отбор) электромагнитной энергии из резонатора осуществляется при помощи элементов связи — различного типа штырьков и витков, вводимых внутрь резонаторного объема.

. В отличие от колебательного контура, имеющего одну соб­ственную частоту, объемный резонатор имеет множество резо­нансных частот. Это связано с возможностью возбуждения в резонаторе многих типов колебаний (мод), соответствующих различным числам стоячих полуволн, укладывающихся вдоль

всех трех размеров резонатора. Получение того или иного типа колебаний зависит от частоты возбуждающих колебаний и от спо­соба возбуждения, т. е. от конкретного гене­ратора СВЧ колебаний.

Настройка объемного резонатора на нуж­ную частоту производится изменением его объема. Наиболее распространенным спосо­бом изменения объема является применение плунжера — подвижного поршня, который мо­жет вдвигаться или ввинчиваться в резонатор. Такой способ называется механической на­стройкой. Другой способ настройки состоит во включении в резонатор конденсатора переменной емкости

(электрическая настройка).

Клистрон. Клистронный генератор. Используемый в радио­дальномерах отражательный клистрон представляет собой

электровакуумный прибор со специфическим механизмом, уп­равления электронным потоком. На рис. 70 показана схема включения отражательного клистрона с внешним объемным резонатором. Принцип работы клистрона рассматривается

в соответствующем разделе курса радиотехники, и мы на нем подробно останавливаться не’ будем. Напомним лишь, что в клистроне осуществляется модуляция скорости потока элек­тронов переменным СВЧ полем объемного резонатора, что при­водит к группированию электронов в электронные сгустки при возвращении их к резонатору из тормозящего поля отража­теля, т. е. к модуляции плотности электронного потока. Под­бором напряжений на резонаторе (£рез) и отражателе (£0тр) создаются такие условия, при которых в моменты возвращения электронных сгустков в резонаторное пространство поле резо­натора оказывается тормозящим. В результате торможения кинетическая энергия электронных сгустков переходит в элек­тромагнитную энергию СВЧ поля резонатора, т. е. электрон­ный поток отдает свою энергию объемному резонатору, воспол­няя потери и создавая режим незатухающих СВЧ колебаний в объемном резонаторе.

Условия хорошего группирования электронов могут быть получены при нескольких определенных величинах отрицатель­ного напряжения на отражателе клистрона. В соответствии с этим у клистрона существует несколько областей, в пределах которых возможна генерация колебаний — так называемые зоны генерации.

Обычно в одной из зон мощность больше, чем в других — в той зоне, для которой группирование электронов получается наилучшим. Что касается абсолютного значения мощности, то из-за низкого к. п. д. (менее 5%) оно обычно менее 1 Вт, т. е. отражательные клистроны являются маломощными устройст­вами.

Изменение частоты колебаний клистронного генератора осу­ществляется, как было отмечено выше, изменением объема ре­зонатора при помощи плунжера. Этим способом можно пере­страивать частоту на ±20 %.

Одним из привлекательных свойств отражательного кли­строна, во многом обусловившим его применение в различных устройствах, в том числе и в радиодальномерах, является воз­можность изменять частоту в небольших пределах (до 5 %. в специальных клистронах — до 10—15%) изменением напря­жения на отражателе. Этот способ называется электронной на­стройкой. При изменении частоты колебаний уменьшается мощность, так как нарушается точность выполнения условия попадания частоты в центр зоны генерации. Если периодиче­ски изменять величину отрицательного напряжения на отража­теле, то, очевидно, периодически будут изменяться частота и мощность колебаний. Поэтому электронная настройка позво­ляет простым способом осуществить модуляцию генерируемых колебаний (как по частоте, так и по амплитуде), что и исполь­зуется в радиодальномерах (см. стр. 211).

Полупроводниковые генераторы СВЧ. Из полупроводнико­вых диодов для генерации СВЧ колебаний могут использо­ваться не любые диоды, а такие, которые обладают (или могут обладать при определенном режиме) отрицательным со­противлением, т. е. наличием падающего участка вольт-ампер­ной характеристики. Таким свойством характеризуются тун­нельные диоды, лавинно-пролетные диоды и диоды на основе эффекта Ганна. Физический смысл осуществления генерации заключается в том, что при подключении диода к колебатель­ной системе в последнюю вносится отрицательное сопротивле­ние, компенсирующее сопротивление потерь в колебательной системе, в результате чего достигается режим незатухающих колебаний.

Туннельные диоды, основанные на туннельном эффекте в р—я-переходе, могут генерировать колебания с частотой до 100 ГГц, но мощность генерируемых колебаний не превышает обычно нескольких милливатт.

Лавинно-пролётные диоды, основанные на явлении лавин­ного пробоя в р—я-переходе, обеспечивают мощность от десят­ков милливатт до единиц ватт при частотах в диапазоне 5ч — -70 ГГц.

Туннельные диоды или ЛПД помещают в объемный резона­тор коаксиального типа, как показано на рис. 71.

Наиболее перспективными считаются диоды Ганна, работа которых основана на эффекте, открытом английским физиком Д. Ганном в 1963 г. Эффект Ганна состоит в том, что в объеме однородного полупроводника (не имеющего р—я-перехода) при достаточно большой величине. приложенного к полупровод­нику постоянного напряжения возникают СВЧ колебания (без внешнего резонатора). Механизм их возникновения основан на образовании резко очерченной области сильного электрического поля и высокого сопротивления (так называемого домена),дви­жущейся с большой скоростью Удом через кристалл полупро­водника. Частота колебаний может быть оценена по соотно­шению

(4.1)

L

где L — толщина кристалла. Для арсенида галлия оДОм= = 107 см/с, и при типичной толщине L=10 мкм получаем /= = 10 ГГц.

Для достижения более высоких частот необходимая тол­щина кристалла слишком мала, но можно повысить частоту, поместив кристалл во внешний резонатор. В этом случае ме­ханизм генерации несколько изменяется, и частота определя­ется параметрами резонатора.

В настоящее время генераторы на диодах Ганна работают на частотах в диапазоне 100 МГц — 60 ГГц. В диоде Ганна ра­бочим является весь объем полупроводника, в то время как в обычных диодах работает лишь часть объема, занимаемая р—я-переходом. Поэтому от диодов Ганна можно получить бо­лее высокие мощности. Уже сейчас достигнуты мощности до десятков ватт в непрерывном режиме.

Преимуществом применения полупроводниковых СВЧ дио­дов является общее достоинство полупроводниковых приборов по сравнению с электровакуумными — их весьма малые раз­меры и масса. Однако в большинстве геодезических радиодаль­номеров в настоящее время используются клистронные гене­раторы.

Комментарии запрещены.