Полный ток в промежутке между электродами и во внешней цепи электровакуумных приборов. Как известно, в электронных лампах используется электростатическое управление электронным потоком, заключающееся в том, что изменение напряженности электрического поля в рабочем объеме лампы вызывает изменение высоты потенциального барьера для электронов в области объемного заряда около катода, а следовательно, изменение числа электронов, участвующих в создании тока.
Рис. 2.1
При переменных напряжениях на электродах лампы ток можно считать безынерционной функцией напряжения, если время пролета электронов в промежутке между электродами т много меньше периода переменного напряжения Т. Такой режим работы получил название квазистатического режима.
Однако с ростом частоты время пролета может оказаться сравнимым с периодом переменного напряжения и больше его. В этом случае необходимо учитывать, что за время пролета электрона сильно изменяются напряжение на электродах и электрическое поле в пространстве между ними. Если амплитуда переменного напряжения велика, возможно, даже возвращение электронов к катоду. Теперь связь мгновенных значений токов и напряжений не соответствует связи в статическом или квазистатическом режиме.
Для учета влияния времени пролета электронов на токи электродов применяется понятие наведенного тока, которое будет использовано и при рассмотрении специальных приборов СВЧ.
Рассмотрим два плоских электрода (рис. 2.1) с равными потенциалами. Предположим, что от электрода 1 к электроду 2 движется тонкий электронный слой с общим зарядом — q.
Вследствие явления электростатической индукции отрицательный заряд - q наводит на электродах положительные поверхностные заряды q 1 и q 2 , так что
q1+ q2 = q. (2.1)
Введем обозначения: ε 0 – диэлектрическая постоянная вакуума;
S – площадь электродов; d– расстояние между электродами.
Используя теорему Гаусса, можно определить напряженности поля у поверхности электродов:
E1= q1 / ε0 S ; E2=q2 / ε0 S. (2.2)
Очевидно, что
E1 z - E2( d - z ) = 0, (2.3)
где z – координата электронного слоя.
Подставляя в это выражение E1 и Е2 из (2), получим
q1 z - q2( d – z)=0. (2.4)
Используя (2.1) и (2.4), найдем связь наведенных зарядов q1 и q2 с координатой электронного слоя z:
q1 = q(1 – z/d); q2=qz/d. (2.5)
Зависимость q1 и q2 от z линейная, при z=0, q1 = q и q2 = 0, а при z = d q1 = 0 и q2 = q. Вследствие движения слоя его координата z является функцией времени, при этом скорость слоя υ= dz/dt. Изменение зарядов q1 и q2 во времени означает, цепи течет ток
iнав = dq2 / dt = - dq1 / dt , (2.6)
называемый наведенным током.
Используя (2.6) и (2.5), получим
iнав = q υ /d (2.7)
Наведенный ток возникает, как только электронный слои появляется в промежутке между электродами, и исчезает, когда электронный слой достигает второго электрода. Длительность импульса наведенного тока равна времени пролета электронов. При постоянной скорости электронов (υ = const) импульс iнав был бы прямоугольным, при линейной зависимости скорости от времени – треугольным.
Используем (2.7) для нахождения наведенного тока во внешней цепи плоских электродов, если в пространстве между ними в рассматриваемый момент времени существует произвольное распределение плотности зарядов ρ(z, t), а не тонкий электронный слой. Применим (2.7) к бесконечно тонкому слою с толщиной dz и зарядом – dq, a затем произведем интегрирование. Наведенный ток, создаваемый элементарным слоем, по (2.7)
diнав(t) =dqυ(z,t)/d. (2.8)
Очевидно, что dq = ρ(z,t) S dz, поэтому из (2.8) получим 
(2.9)
Создаваемый всеми электронными слоями в промежутке d в момент времени t наведенный ток
(2.10)
Подынтегральное выражение есть значение электронного тока в сечении z в момент времени t, связанное с переносом (конвекцией) электронов. Назовем его конвекционным током
(2.11)
Подставляя (2.11) в (2.10), получим
(2.12)
Если к электродам, показанным на рис. 1, приложить переменное напряжение u(t), то во внешней цепи кроме наведенного тока (2.12) будет существовать емкостный ток
(2.13)
где C=ε0 S/d—емкость между электродами.
Поэтому полный ток в цепи
(2.14)
В (2.14) полный ток представлен как сумма наведенного и емкостного токов во внешней цепи, в отличие от обычного представления его суммой конвекционного тока (тока проводимости) и тока смещения, определяемых в зазоре между электродами:
(2.15)
Выражение (12) позволяет вычислить наведенный ток во внешней цепи электродов, если известна зависимость конвекционного тока в зазоре от координаты и времени iконв(z,t). Наведенный ток в момент времени t равен усредненному по длине зазора значению конвекционного тока в этот момент времени. В частном случае, когда время пролета электронов много меньше периода переменного напряжения, можно считать, что iконв(z,t) практически не зависит от координаты и его можно вынести за знак интеграла. Тогда 
, т. е. наведенный ток совпадает с конвекционным. Поэтому в квазистатическом и статическом режимах нецелесообразно пользоваться понятием наведенного тока.
В лампах СВЧ период переменного напряжения сравним с временем пролета электронов, поэтому конвекционный ток iконв(z,t) в зазоре сильно зависит от координаты г и наведенный ток не равен конвекционному.
2.1. Работа триода на СВЧ
Анализ влияния времени пролета электронов существенно зависит от соотношения амплитуды переменных и постоянных напряжений на электродах. Если амплитуда много меньше постоянного напряжения, говорят о режиме малых амплитуд. Когда обе величины сравнимы, имеет место режим больших амплитуд.
В режиме малых амплитуд можно считать, что время пролета электронов практически определяется постоянными напряжениями на электродах, а пространственный заряд в области сетка – катод такой же, как в статическом режиме. Это позволяет создать сравнительно простую теорию электронных ламп СВЧ в режиме малых амплитуд.
Теоретическое рассмотрение схемы с общим катодом позволило сделать вывод, что влияние угла пролета электронов между электродами можно учесть введением комплексной крутизны лампы и активной входной проводимости. При этом модуль комплексной крутизны равен отношению амплитуды переменного тока в анодной цепи к амплитуде переменного напряжения на сетке, а ее фазовый угол показывает отставание анодного тока от сеточного напряжения. С ростом угла пролета, вызванного увеличением частоты или расстояния между электродами, фазовый сдвиг растет, а модуль крутизны уменьшается.
Появление активной проводимости входной цепи связано с тем, что из-за существования наведенного тока в цепи сетки появляется составляющая сеточного тока, совпадающая по фазе с переменным сеточным напряжением. В схеме включения с общим катодом входная активная проводимость примерно пропорциональна квадрату частоты.
Для уменьшения угла пролета в режиме малых амплитуд необходимо увеличивать положительное напряжение на электродах и использовать лампы с малым расстоянием между электродами.
Режим малых амплитуд характерен для усилителей слабого сигнала и для генераторов, работающих с очень низким КПД. Режим больших амплитуд используется в мощных усилителях и генераторах. В настоящее время маломощные электронные лампы СВЧ почти полностью вытеснены полупроводниковыми приборами СВЧ, а мощные электронные лампы применяются на частотах до 1 – 2 ГГц. Поэтому далее пойдет речь только о режиме больших амплитуд, который будет рассмотрен на примере схемы включения триода, показанной на рис. 2.2.
Теоретический анализ влияния времени пролета в триоде в режиме больших амплитуд весьма сложен. Однако представление о происходящих процессах можно получить с помощью пространственно-временных диаграмм, изображенных на рис. 3a. На этом рисунке z – координата электрона, отсчитываемая от катода, а t – время. Каждая кривая показывает зависимость координаты тонкого электронного слоя от времени. Кривые соответствуют разным моментам вылета электронов из катода. Переменное напряжение с амплитудой Uс1 и постоянное напряжение смещения сетки Ес<0 показаны внизу пространственно-временной Диаграммы. Мгновенное значение напряжения на сетке 
Каждая кривая строится по результатам решения уравнения движения электронов в лампе. Тангенс угла наклона касательной в любой точке пространственно-временной диаграммы определяет скорость электрона, необходимую для расчета наведенного тока.
Будем считать, что управляющая сетка настолько густа, что анод с потенциалом Ua не вызывает появления электрического поля в пространстве сетка - катод. Тогда движение электронов в этом пространстве будет определяться только напряжением на сетке Суммарное напряжение на сетке uc(t) проходит через нулевое значение (рис. 2.2, б) в моменты t0 и t3. Предположим, что лампа отпирается при суммарном напряжении Uc1>0, т. е. ток эмиссии существует в интервале времени t3 — t0 . Электрон, вылетевший из катода в момент времени t0 , будет двигаться к сетке в ускоряющем электрическом поле (uc > 0). И его скорость по мере приближения к сетке будет возрастать. В некоторый момент времени t1 первый электрон достигает сетки и входит в пространство сетка - анод, где имеется ускоряющее поле, так как напряжение на аноде Ua положительно и велико. Первый электрон попадает на анод в момент времени t2 .
На анод будут попадать также те из последующих электронов, вылетевшие из катода при положительном напряжении на сетке, которые подлетают к сетке с некоторой скоростью. Уменьшение скорости происходит вследствие уменьшения напряжения на сетке и изменения его знака после момента времени t3. Электрон, подошедший к сетке в момент времени t4 с нулевой скоростью (υ=dz/dt=0), начнет обратное движение к катоду, потенциал которого теперь выше потенциала сетки.
В момент времени t5 (рис. 2.2, б) на анод пришел последний электрон. Этот электрон прошел сетку в момент времени t4, позже которого электроны возвращаются к катоду. Таким образом, не все электроны, начавшие движение при положительном напряжении на сетке (uc>0), долетают до анода, часть их возвращается на катод. Чем больше время пролета электронов от катода до сетки (больше расстояние сетка – катод), тем больше электронов возвращается на катод.
С помощью пространственно-временной диаграммы, рассчитанной для большого числа электронов, отличающихся моментом вылета из катода, можно в любом- сечении лампы в любой момент времени определить число и скорость электронов, а следовательно, и конвекционный ток. Затем по (2.12) можно вычислить наведенный ток во внешней цепи электрода.
Как только первый электрон начинает в момент времени t0 движение от катода к сетке, во внешней цепи промежутка катод – сетка появляется наведенный ток iк.с.нав, текущий в этой цепи от катода к сетке (см. рис. 2.2). Ток iк.с.нав (см. рис. 3б) возрастает по мере .увеличения числа электронов в промежутке и достигает максимального значения. Последующее убывание тока связано с уменьшением скорости электронов, а затем с изменением ее направления. Электроны, начинающие движение к катоду, создают наведенный ток другого направления (от сетки к катоду во внешней цепи). В некоторый момент времени результирующий наведенный'' ток равен нулю, а затем меняет направление из-за возвращения электронов к катоду.
Аналогично наведенный ток iк.с.нав во внешней цепи промежутка сетка – анод появляется, когда электроны начинают поступать в этот промежуток через сетку. Этот ток растет, достигает максимального значения, убывает и обращается в нуль, когда последний электрон промежутка сетка – анод достигает анода в момент времени t5.
Проведенное приближенное рассмотрение показывает, что, если время пролета электронов сравнимо с периодом переменного напряжения, наведенный ток становится несимметричным по форме и имеет отрицательный выброс. Импульс наведенного тока в цепи анода не повторяет формы сеточного напряжения, а “затягивается” на значительную часть периода переменного напряжения, что вызывает уменьшение амплитуды первой гармоники анодного тока. Последнее приводит к снижению полезной мощности в нагрузке на частоте приложенного сигнала или на частоте генерируемых колебаний, если лампа используется в схеме генератора.
Зная наведенные токи iк.с.нав и iс.а.нав , можно, используя рис. 2, определить наведенные токи электронов: анодный 
, катодный 
и сеточный 
. Наведенный ток сетки iс.нав , равный сумме двух наведенных токов, текущих в сеточной цепи в противоположных направлениях, меняет свой знак в некоторый момент времени, когда токи iс.а.нав и iс.а.нав равны.
В тетроде на экранирующую сетку, расположенную между управляющей сеткой и анодом, подается положительное напряжение, сравнимое с анодным. Поэтому электроны, прошедшие через управляющую сетку, ускоряются в промежутке между сетками, и полное время пролета от управляющей сетки до анода уменьшается. Импульс анодного тока при этом менее растянут, а электронный КПД выше, чем в триоде.
2.2. Применение триодов и тетродов СВЧ
В диапазоне СВЧ более широко применяется схема включения триода с общей сеткой, а не с общим катодом, которая до сих пор рассматривалась. Упрощенная схема включения триода с общей сеткой, показанная на рис. 4, удобна для сравнения с упрощенной схемой триода с общим катодом (см. рис. 2). Промежуток лампы сетка–катод входит во входную цепь, а промежуток анод–сетка – в выходную цепь схемы, так что сетка является, обшей точкой этих цепей.
Рис. 2.3
Как видно из рис. 2.2 и 3.2, выходная (анодная) цепь связана с входной через емкость Сc.a в схеме с общим катодом и емкость Са.к в схеме с общей сеткой. Эта связь может привести к самовозбуждению лампы. Поскольку Са.к значительно меньше Са.с, то схема с общей сеткой более устойчива к самовозбуждению. Благодаря этому она широко применяется на высоких частотах. Недостатком схемы с общей сеткой является низкое входное сопротивление усилительного каскада (через входную цепь протекает весь переменный катодный ток лампы). Однако можно показать, что с увеличением частоты активная составляющая входной проводимости каскада с общей сеткой уменьшается из-за увеличения фазового сдвига между сеточным напряжением и первой гармоникой катодного тока. В то же время в схеме с общим катодом входная проводимость увеличивается с ростом частоты.
Требование уменьшения времени пролета в лампах СВЧ не является единственным. Необходимо также уменьшать междуэлектродные емкости, индуктивность вводов и диэлектрические потери в элементах лампы.
На частотах выше 500 МГц применяются триоды с дисковыми выводами: маячковые и металлокерамические. Рассмотрим для примера конструкцию генератора на маячковом триоде (рис. 2.4): 1, 2 – коаксиальные резонаторы в цепях сетка–катод и сетка–анод, 3 – петля связи, 4 – настроечные поршни, 5 – триод. Катод, сетка и анод плоские. Дисковые выводы становятся частью колебательной коаксиальной системы. Расстояние между электродами доходит до десятых и даже сотых долей миллиметра.
В металлокерамическом триоде вместо стекла используется специальная керамика. Диэлектрические потери в междуэлектродных изоляторах уменьшаются благодаря применению высокочастотной керамики с малыми диэлектрическими потерями. Современные миниатюрные металлокерамические триоды были разработаны на предельною частоту до 10 ГГц. Однако на таких частотах удалось получить очень небольшую мощность и низкий КПД.
Рис 2.4
В качестве мощных генераторных ламп в длинноволновой части диапазона дециметровых волн применяются преимущественно триоды с водяным или воздушным охлаждением анодов, в конструкции которых учтены требования, предъявляемые к СВЧ лампам. В коротковолновой части диапазона дециметровых волн применяются мощные генераторные триоды, имеющие специальную конструкцию. Кольцевые вводы электродов этих ламп обладают значительно меньшими индуктивностью и омическим сопротивлением и позволяют легко соединить лампы с колебательной системой.
Металлические выводы ламп изготавливаются также из титана. Такие лампы называются титанокерамическими. Применение титана позволило улучшить характеристики приборов, так как при высоких температурах, развивающихся при их работе, титан обладает хорошими абсорбционными свойствами, т. е. поглощает выделяемые в лампе газы и в приборе поддерживается все время рабочий вакуум. Титанокерамические триоды имеют меньшие размеры, чем металлокерамические, при равных значениях выходной мощности.
Недостатком СВЧ триодов является низкий коэффициент усиления по мощности. Это обстоятельство привело к разработке тетродов. Электроды тетродов обычно имеют цилиндрическую конструкцию. Обе сетки, а иногда и катод составляются из большого числа стержней, расположенных по образующим цилиндров соответствующих радиусов. Динатронный эффект ослабляется использованием лучевой структуры электронного потока и удалением анода от экранной сетки, на сравнительно большое расстояние. В таких тетродах все электроды имеют дисковые выводы.
Для генерирования сверхмощных колебаний СВЧ диапазона конструктивное разделение лампы и колебательной системы из-за больших потерь в соединениях оказывается нерациональным. Поэтому электроды лампы изготавливаются вместе с колебательной системой, а резонаторные полости помещаются в вакуум. Примером может служить тетродный генератор, названный резнатроном, который в дециметровом диапазоне отдает среднюю мощность 50 – 70 кВт при КПД 60 – 65%. Напряжение источника питания составляет 10—16 кВ.
Дальнейшее развитие этого принципа конструирования ламп привело к созданию коакситрона. По существу коакситрон представляет собой цилиндрическую систему из 48 независимых элементарных триодов с общей сеткой, объединенных со входным и выходным резонаторами в одном вакуумном корпусе. Коакситрон имеет широкую рабочую полосу частот и высокую надежность. Прибор рекомендуется к использованию в широкодиапазонных многоканальных радиолокационных станциях. Коакситрон А15193 (США) является усилителем с коэффициентом усиления по мощности 13 дБ, рассчитанным на диапазон частот 400 – 500 МГц при уровне мощности в непрерывном режиме 150 кВт, а в импульсном – 10 МВт (КПД 43%). Разработаны коакситроны, перекрывающие диапазон частот 200 – 1300 МГц.
Триодные и тетродные генераторы обладают рядом достоинств по сравнению с другими генераторами СВЧ. Это сравнительно низкие питающие напряжения, отсутствие устройств для фокусировки электронного потока, достаточно высокий КПД в дециметровом диапазоне, сравнительно высокая стабильность частоты в генераторах и фазы в усилителях при изменении напряжения питания. Следует отметить также малую стоимость триодов. Основным недостатком триодных и тетродных генераторов является быстрое падение выходной мощности с ростом рабочей частоты. Практически они используются на частотах до 1,5 – 2 ГГц.
Тетроды СВЧ применяются в основном в выходных каскадах мощных передатчиков. Например, в телевизионном передатчике ЛАДОГА, предназначенном для черно-белого и цветного телевизионного вещания в диапазоне 470 – 622 МГц, в выходном каскаде используется металлокерамический тетрод ГС-17Б с выходной мощностью 7 кВт.
Триоды СВЧ применяются в качестве генераторов и усилителей средней мощности, а также в качестве преобразователей и умножителей частоты. В передатчике ЛАДОГА металлокерамический триод ГС-14Б работает усилителем-умножителем. Металлокерамические триоды и тетроды используются также в передатчиках радиорелейных линий связи с временным разделением и импульсной модуляцией.
В заключение следует заметить, что все время проводятся работы по усовершенствованию триодов и тетродов для телевизионных передатчиков. Фирма Сименс (ФРГ) разработала серию мощных тетродов для телевизионных передатчиков дециметрового диапазона, у которых благодаря использованию испарительно-конденсационного охлаждения выходная мощность в 2 раза выше, чем при воздушном охлаждении. Эти тетроды дешевле клистронов, эквивалентных им по параметрам. Анод тетродов имеет небольшие каналы охлаждения, ответвляющиеся от основного канала. В канале под давлением циркулирует вода, которая кипит и испаряется примерно при 120°C и охлаждает анод. Металлокерамический тетрод RS1034SK имеет выходную мощность 20кВт.
Контрольные вопросы.
1. Воздействие электрического и магнитного поля на движущийся заряд. Скорость электрона, время пролета, угол пролета.
2. Уточнение понятий “ток”. Наведенный ток. Зачем понадобилось введение этого понятия?
3. Отбор энергии у движущегося одиночного заряда и превращения ее в энергию СВЧ колебаний.
4. Особенности работы электронных ламп в диапазоне СВЧ. Основные факторы, влияющие на работу СВЧ триодов и тетродов.