Назначение, области применения, достоинства и недостатки ЭП СВЧ и КП, основные технические требования к ним

Как устройства для генерирования и усиления сигналов ЭП СВЧ были предложены в 30-40-х г. XX века для замены аналогичных по назначению устройств на электронных лампах, имеющих частотные ограничения на СВЧ из-за соизмеримости времени пролета электронов между электродами с периодом колебаний. Это приводило к фазовым сдвигам между напряжениями и токами, нарушающими работу усилителей (самовозбуждение) и генераторов (малая мощность или отсутствие генерации). В ЭП СВЧ длительное время пролета электронов наоборот было использовано для взаимодействия с СВЧ-полем (волной) для получения генерации и усиления СВЧ, при этом ЭП СВЧ включал в себя колебательную или направляющую (замедляющую) электромагнитную волну (ЭМВ) систему. В отличие от ламповых устройств в ЭП СВЧ не требовалось проведение расчета, конструирования и изготовления колебательных систем (резонаторов).

Области применения ЭП СВЧ – радиосвязь (включая космическую), радио-локация, радиоизмерения, физические исследования, радиопротиводействие, СВЧ-нагрев и др.

Достоинства диапазона СВЧ (метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны) – малые размеры антенн, высокая направленность переда-чи/приёма, широкие полосы частот и большое число каналов связи, возможность получения больших мощностей при генерации и усилении, радиационная стойкость.

Основной недостаток СВЧ – распространение в пределах прямой видимости между передающей и приемной антеннами, поэтому в радиорелейных линиях связи на СВЧ через каждые несколько десятков километров ставят ретранслято-ры. Другой недостаток СВЧ – увеличение затухания с ростом частоты при распространении в пространстве или в линиях передачи.

Технические требования к ЭП СВЧ формируются через разные виды показателей:

1) энергетические – выходная мощность (Р_вых), электронный коэффициент полезного действия (КПД) η_эл= Р_вых/Р₀, где Р₀ – мощность, потребляемая от источника питания;

2) виды и качество модуляции – импульсная, амплитудная, частотная, фазовая, степень нелинейных искажений при модуляции;

3) показатели электромагнитной совместимости, позволяющие оценить мешающее влияние на другие радиоустройства:

− относительная нестабильность частоты ; в генераторах СВЧ она составляет 10^-3÷10^-5;

− ширина спектра генерируемых или усиливаемых радиочастот;

− величина допустимых побочных излучений;

− полоса перестройки или усиления;

4) показатели компактности, минимальных габаритов и массы для возможности применения в авиации, ракетах, спутниковой и космической связи;

5) показатели минимизации рабочих напряжений для безопасности эксплуа-тации (экранировка ЭП СВЧ от возможного рентгеновского излучения при рабочих напряжениях выше 25 кВ).

Развитие конструкций ЭП СВЧ идет в направлении повышения генерируемой мощности (релятивистские ЭП – до 1 ГВт и более в импульсе), особенно в миллиметровом диапазоне волн, что нереализуемо для полупровод-никовых приборов (ПП) СВЧ из-за присущих им частотных и других ограничений (меньше генерируемые токи и мощности, хуже возможности теплоотвода, меньше электрическая прочность и др.).

Однако в ряде случаев ПП СВЧ успешно конкурируют с ЭП СВЧ по мощности при использовании принципа пространственного сложения мощностей (фазированные антенные решетки – ФАР).

Квантовые приборы (КП) начали применяться с 50-60-х г.г. ХХ века в виде:

− оптических, инфракрасных (ИК) и ультрафиолетовых (УФ) квантовых генераторов и усилителей с модуляторами и без них;

− квантовых генераторов (КГ) и усилителей диапазона СВЧ.

Оптические квантовые генераторы (ОКГ) или лазеры (laser – light amplification by stimulated emission of radiation) находят применение для связи, локации, технологических целей. Их мощность генерации может быть от единиц мВт до тысяч тераватт в импульсе. КГ СВЧ нашли применение как источники высокостабильных колебаний ( ≈10^-10÷10^-14) для стандартов частоты и времени.

В качестве квантовых усилителей СВЧ нашли широкое использование в космической связи квантовые парамагнитные усилители (КПУ), имеющие весьма низкий уровень собственных шумов по сравнению с любыми электронными или полупроводниковыми усилителями СВЧ. Технические требования, предъявляе-мые к КП, аналогичны требованиям и показателям ЭП СВЧ.

Достоинства и недостатки КП также аналогичны.