НАДВИСОКИХ ЧАСТОТ ДІАПАЗОН
Магнетрон.
У магнетроні, винайденому в Великобританії перед Другою світовою війною, ці недоліки відсутні, оскільки за основу взято зовсім інший підхід до генерації НВЧ-випромінювання - принцип об'ємного резонатора. Подібно до того як у органної труби даного розміру є власні акустичні резонансні частоти, так і у об'ємного резонатора є власні електромагнітні резонанси. Стінки резонатора діють як індуктивність, а простір між ними - як ємність якоїсь резонансної ланцюга. Таким чином, об'ємний резонатор подібний паралельного резонансного контуру низькочастотного генератора з окремими конденсатором і котушкою індуктивності. Розміри об'ємного резонатора вибираються, звичайно, так, щоб цього поєднанню ємності і індуктивності відповідала потрібна резонансна надвисока частота.
У магнетроні (рис. 1) передбачено кілька об'ємних резонаторів, симетрично розташованих навколо катода, що знаходиться в центрі. Прилад поміщають між полюсами сильного магніту. При цьому електрони, що випускаються катодом, під дією магнітного поля змушені рухатися по кругових траєкторіях. Їх швидкість така, що вони в строго певний час перетинають на периферії відкриті пази резонаторів. При цьому вони віддають свою кінетичну енергію, збуджуючи коливання в резонаторах. Потім електрони повертаються на катод, і процес повторюється. Завдяки такому пристрою час прольоту і міжелектродні ємності не заважають генерації НВЧ-енергії.
Магнетрони можуть бути зроблені великого розміру, і тоді вони дають потужні імпульси НВЧ-енергії. Але у магнетрона є свої недоліки. Наприклад, резонатори для дуже високих частот стають настільки малими, що їх важко виготовляти, а сам такий магнетрон через своїх малих розмірів не може бути достатньо потужним. Крім того, для магнетрона потрібен важкий магніт, причому необхідна маса магніту зростає зі збільшенням потужності приладу. Тому для літакових бортових установок потужні магнетрони не підходять.
Для цього електровакуумного приладу, заснованого на дещо іншому принципі, не потрібно зовнішнє магнітне поле. У клистроне (рис. 2) електрони рухаються по прямій від катода до відбивної пластини, а потім назад. При цьому вони перетинають відкритий зазор об'ємного резонатора в формі бублика. Керуюча сітка і сітки резонатора групують електрони в окремі «згустки», так що електрони перетинають зазор резонатора тільки в певні моменти часу. Проміжки між згустками узгоджені з резонансною частотою резонатора таким чином, що кінетична енергія електронів передається резонатору, внаслідок чого в ньому встановлюються потужні електромагнітні коливання. Цей процес можна порівняти з ритмічним розгойдуванням спочатку нерухомих гойдалок.
Перші клістрони були досить малопотужними приладами, але пізніше вони побили всі рекорди магнетронів як СВЧ-генераторів великої потужності. Були створені клістрони, що видавали до 10 млн. Ват потужності в імпульсі і до 100 тис. Ват в безперервному режимі. Система клистронов дослідного лінійного прискорювача частинок видає 50 млн. Ват СВЧ-потужності в імпульсі.
Клістрони можуть працювати на частотах до 120 млрд. Герц; однак при цьому їх вихідна потужність, як правило, не перевищує одного вата. Розробляються варіанти конструкції клистрона, розрахованого на великі вихідні потужності в міліметровому діапазоні.
Клістрони можуть також служити підсилювачами СВЧ-сигналів. Для цього потрібно вхідний сигнал подавати на сітки об'ємного резонатора, і тоді щільність електронних згустків буде змінюватися відповідно до цього сигналом.
Лампа біжучої хвилі (ЛБХ).
Ще один електровакуумний прилад для генерації і посилення електромагнітних хвиль НВЧ-діапазону - лампа біжучої хвилі. Вона являє собою тонку відкачану трубку, що вставляється в фокусуючу магнітну котушку. Всередині трубки є замедляющая дротова спіраль. Уздовж осі спіралі проходить електронний промінь, а по самій спіралі біжить хвиля підсилюється сигналу. Діаметр, довжина і крок спіралі, а також швидкість електронів підібрані таким чином, що електрони віддають частину своєї кінетичної енергії, що біжить хвилі.
Радіохвилі поширюються зі швидкістю світла, тоді як швидкість електронів в промені значно менше. Однак, оскільки СВЧ-сигнал змушений йти по спіралі, швидкість його просування вздовж осі трубки близька до швидкості електронного променя. Тому що біжить хвиля досить довго взаємодіє з електронами і посилюється, поглинаючи їх енергію.
Якщо на лампу не подається зовнішній сигнал, то посилюється випадковий електричний шум на деякій резонансної частоті і ЛБХ біжучої хвилі працює як СВЧ-генератор, а не підсилювач.
Вихідна потужність ЛБХ значно менше, ніж у магнетронів і клистронов на тій же частоті. Однак ЛБХ допускають настройку в надзвичайно широкому частотному діапазоні і можуть служити дуже чутливими малошумящими підсилювачами. Таке поєднання властивостей робить ЛБХ дуже цінним приладом СВЧ-техніки.
Плоскі вакуумні тріоди.
Хоча клістрони і магнетрони більш кращі як СВЧ-генератори, завдяки вдосконаленням в якійсь мірі відновлена важлива роль вакуумних тріодів, особливо в якості підсилювачів на частотах до 3 млрд. Герц.
Труднощі, пов'язані з часом прольоту, усунуті завдяки дуже малим відстаням між електродами. Небажані міжелектродні ємності зведені до мінімуму, оскільки електроди зроблені сітчастими, а всі зовнішні з'єднання виконуються на великих кільцях, що знаходяться поза лампи. Як і прийнято в СВЧ-техніці, застосований об'ємний резонатор. Резонатор щільно охоплює лампу, і кільцеві з'єднувачі забезпечують контакт по всьому колу резонатора.