Газоразрядные шумовые трубки


(фото с форума LASERS.ORG.RU)

В качестве первичных источников шумов в радиоэлектронной аппаратуре наиболее широко применяются газоразрядные шумовые приборы, которые по сравнению с другими источниками обладают высоким уровнем шумов, большой равномерностью спектральной характеристики, широким диапазоном частот, удобством в эксплуатации и достаточной надежностью. Эти приборы способны перекрыть диапазон частот от 10 Гц до 3х105 МГц.

Для диапазона СВЧ наиболее применимы газоразрядные шумовые трубки с положительным столбом. Такие источники шумов применяются в измерительных устройствах в качестве калиброванных генераторов шумовых сигналов; при исследовании частотных свойств волноводных трактов и т. д.

Конструкция и принцип работы
Основные параметры
Вольт-амперная характеристика
Схема включения
Образцы трубок - ГШ-1

   Газоразрядный шумовой прибор СВЧ диапазона представляет собой стеклянную трубку, наполненную инертным газом (аргоном или неоном, чаще всего неоном) до давления от единиц до десятков миллиметров ртутного столба. Катод прямонакальный или подогревный. На противоположной стороне трубки расположен анод.

  При это внешне все типы шумовых трубок похожи друг на друга как близнецы, если вы видели одну - вы видели их все.

   При подаче на электроды трубки напряжения поджига газ в трубке ионизируется и возникает электрический разряд. Трубка начинает светиться. Интенсивность свечения по длине трубки различна: неравномерная вблизи катода и равномерная по остальной, большей части. Наибольший участок разрядного пространства с равномерным свечением, расположенный между анодом и катодом, называется положительным столбом. Положительный столб используется в качестве источника шума для создания шумовых генераторов СВЧ диапазона.


1 — цоколь; 2 — катод; 3 — катодное свечение; 4 — фарадеево темное пространство; 5 — положительный столб; 6 — стеклянная трубка; 7 — анодное свечение; 8 — анод

   Положительный столб имеет однородное электрическое поле с постоянным градиентом потенциала по длине столба, т. е. число положительных и отрицательных зарядов на единицу объема столба равно.

   Концентрация заряженных частиц в столбе в радиальном направлении неодинакова и распределяется приблизительно по параболическому закону в зависимости от расстояния от центра трубки. Наибольшая концентрация на оси, вблизи стенок она практически равна нулю. Ионизация газа в столбе происходит только путем одиночных столкновений с молекулами газа электронов, двигающихся с большими хаотическими скоростями. Из-за различия концентрации зарядов в радиальном направлении исчезновение заряженных частиц идет путем амбиполярной диффузии, т. е. перемещения частиц из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Электроны и ионы движутся с одинаковой скоростью в радиальном направлении; при достижении стенок трубки происходит их нейтрализация.

   Для поддержания однородности электрического поля и переноса тока в положительном столбе идет непрерывный приток электронов и ионов из соседних областей разряда. При движении заряженных частиц возбуждается, как известно, электромагнитное поле. Поскольку движение электронов и ионов в области положительного столба носит хаотический характер по скорости и направлению, а распределение вдоль столба равномерно, то излучение носит характер шумового сигнала с одинаковой интенсивностью вдоль его длины. Поле, создаваемое заряженными частицами, заключенными в положительном столбе, содержит широкий спектр частот с одинаковой вероятностью и без фазовой когерентности, в результате чего возникает «белый шум».

   Для практического использования шумового излучения положительного столба газоразрядные шумовые трубки помещаются в специальные генераторные секции. В зависимости от диапазона частот и вида линии передачи могут быть использованы генераторные секции, выполненные на волноводе, коаксиальной или полосковой линиях.

   Волноводные шумовые генераторы представляют собой отрезок волновода, в центре широкой стенки которого под малым углом помещается газоразрядная шумовая трубка с положительным столбом.

   Наклонное положение трубки в волноводе обеспечивает при разряде равномерное внесение потерь на достаточной длине линии, благодаря чему достигается удовлетворительное согласование генератора шума с линией передачи в широком диапазоне частот. Конструирование волноводных генераторов шума в длинноволновой части сантиметрового диапазона встречает трудности, связанные со сложностью согласования трубки с линией передачи. Поэтому обычно в диапазоне волн длиннее 10—12 см применяются коаксиальные или полосковые генераторы шума.

   В коаксиальных генераторах шумовая газоразрядная трубка с положительным столбом помещается внутри ленточной спирали, которая является внутренним проводником коаксиальной линии. Внешним проводником служит цилиндрическая поверхность корпуса линии. Форма спирали (шаг, величина зазора между соседними витками, диаметр спирали) определяется, исходя из требуемого волнового сопротивления, величины связи трубки с линией передачи, диапазона частот. Применение спиральных замедляющих систем позволяет создавать шумовые генераторы с удовлетворительным согласованием (КСВН до 1,25) в диапазоне частот до 800 МГц.

   Полосковые генераторы шума представляют собой симметричную полосковую линию, вдоль оси которой помещается газоразрядная трубка с положительным столбом.

   Шумовые газоразрядные трубки с положительным столбом, как указывалось ранее, самостоятельно без специальных генераторных секций не применяются. Поэтому основные параметры шумовых трубок определяются в сочетании с генераторной секцией. В технической документации на трубки (в паспортах, технических условиях и др.) приводятся характеристики, измеренные в волноводных генераторных секциях на стандартных сечениях волноводов.

   К основным параметрам шумовых газоразрядных генераторов, т. е. газоразрядных шумовых трубок, помещенных в генераторные секции, относятся следующие:
— шумовая температура или относительная шумовая температура;
— КСВН шумового генератора в рабочем режиме («горячий» прибор) и в выключенном состоянии («холодный» прибор);
— потери «горячего» и «холодного» шумового генератора;
— рабочий ток анода.

   Шумовая температура. Интенсивность излучения газоразрядной шумовой трубки с положительным столбом определяется, главным образом, электронной температурой плазмы. Шумовая температура генератора меньше электронной температуры плазмы на величину потерь в генераторной секции.

   Шумовая температура может быть выражена в градусах Кельвина, в относительных единицах, либо в децибелах относительно стандартной температуры То=293°К.

   В некоторой технической документации на отечественные шумовые трубки вместо абсолютной или относительной шумовой температуры указывается спектральная плотность мощности шума (СПМШ). Под СПМШ понимается количество мощности шума, снимаемой с газоразрядной трубки в определенной полосе частот, например 1 Гц или 1 МГц. 

   Спектральная плотность мощности шума газоразрядных шумовых трубок может быть выражена также в единицах kTo. Например, СПМШ трубки ГШ-2 равна 65 kTo. За единицу kTo принимается СПМШ резистора, имеющего температуру шума Tо. Для перевода СПМШ из единиц kTo в значения шумовой температуры в °К можно воспользоваться соотношением СПМШ = N*kTo, где N — число, показывающее во сколько раз температура шума газоразрядной трубки больше температуры теплового шума резистора.

   Потери «горячего» и «холодного» шумового генератора. Шумовые генераторы, включенные в линию передачи, вносят потери как в выключенном, так и во включенном состоянии. Потери шумового генератора в выключенном состоянии («холодные» потери) в основном определяются потерями в стекле, линии передачи и органах присоединения. Величина связи шумовой трубки с положительным столбом с линией передачи определяется потерями, вносимыми в тракт трубкой во включенном состоянии («горячие» потери).

   КСВН «горячего» и «холодного» шумового генератора. Степень согласования газоразрядной шумовой трубки с генераторной секцией, а следовательно, и линией передачи определяется величинами КСВН «холодного» и «горячего» прибора. Величины КСВН генератора в общем случае определяют дополнительные погрешности в измерении коэффициента шума за счет рассогласования. Эта погрешность тем больше, чем хуже согласован генератор шума.

   Рабочий ток анода газоразрядной шумовой трубки с положительным столбом выбирается при создании генератора шума и определяет его основные характеристики: шумовую температуру, потери и согласование «горячего» прибора.

Вольтамперная характеристика газоразрядной шумовой трубки с положительным столбом


1 - без балластного сопротивления; 2 - с балластным сопротивлением

   Она может быть разделена на две области: ab и bc. Область ab (область несамостоятельного разряда) характеризуется очень малым анодным током и практически не используется. Характеристика в области bc является падающей, т. е. с увеличением тока через трубку падение напряжения на ней уменьшается. Поэтому газоразрядные шумовые трубки должны включаться последовательно с балластным сопротивлением.

   Прямая 2 на рисунке представляет динамическую характеристику шумовой трубки вместе с балластным сопротивлением. Точка А характеристики используется в качестве рабочей точки. Чтобы установить рабочий режим трубки, необходимо преодолеть область несамостоятельного разряда, увеличив кратковременно напряжение на лампе до величины Ub. Напряжение поджига Ub отечественных газоразрядных шумовых трубок с положительным столбом находится в пределах 2—3 кВ и зависит от многих факторов, в том числе от освещенности трубки. Длительность поджигающих импульсов должна быть не менее 100 мксек и соизмерима с длительностью переходного процесса в газовом разряде.

   Поддержание разряда в трубке обеспечивается подачей напряжения на генератор шума Uo, которое должно быть больше напряжения горения Ua на величину падения напряжения на балластном сопротивлении. Напряжение горения Ua отечественных шумовых трубок в зависимости от типа составляет 150—310 В, а рекомендуемый анодный ток находится в пределах 60—150 мА.

   Величина балластного сопротивления обычно указывается в технической документации на шумовую трубку (технические условия, паспорт) и в зависимости от ее типа может лежать в пределах 1—3,5 кОм. Величина напряжения источника питания Uo выбирается из вольтамперной характеристики шумовой трубки.

   Простейшая схема включения шумовой газоразрядной трубки с положительным столбом приведена на рисунке:

   В данной схеме в качестве источника напряжения поджига трубки используется дроссель, на котором при замыкании и размыкании переключателя К создается высокое напряжение самоиндукции.

   В практических схемах шумовые генераторы на газоразрядных шумовых трубках могут использоваться также в режиме импульсной работы. Для работы в импульсном режиме генератор шума должен, кроме источника питания, иметь модулятор, который обеспечивал бы периодическое зажигание и гашение трубки. Одна из возможных схем такого модулятора:

   Параллельно с шумовой трубкой включен пентод Л2, в их общую анодную цепь последовательно с балластным сопротивлением включен дроссель L. В начальный момент трубка погашена, а через пентод Л2 идет ток. При подаче на управляющую сетку пентода отрицательного управляющего импульса лампа запирается, и на дросселе возникает импульс напряжения, достаточный для возникновения разряда в трубке. После прекращения этого импульса разряд в трубке поддерживается от сравнительно низкого напряжения источника питания Uo. После прекращения управляющего импульса пентод открывается и ток через сопротивление Rб увеличивается, напряжение на шумовой трубке падает и разряд прекращается.

   Исследования, проведенные у нас и за рубежом, показали, что шумовая температура газоразрядных шумовых генераторов в импульсном и непрерывном режимах работы практически одинакова.

ГШ-1

Самый первый тип шумовой трубки, разработанный в СССР.

Она предназначена для работы в диапазоне частот 5,6...9 см (3,40...5,35 ГГц), при этом спектральная плотность шумов не менее 50 kTo. Напряжение на аноде 125...(200)...250 В, номинальный ток анода 115...185 мА, напряжение поджигания не менее 5 кВ.

Данные из отраслевого каталога на неё. Любопытно, что минимальная наработка в каталоге указана 4000 ч, а в заводском паспорте на эту же лампу - 7500 ч.

К особенностям этого прибора можно отнести относительно большую нестабильность шумовой температуры в зависимости от тока анода - в интервале тока 120-140 мА наблюдаются скачки температуры шума, достигающие 0,4 дБ. В то же время зависимость шумовой температуры от напряжения накала у трубки ГШ-1 практически отсутствует, по крайней мере в пределах Uн = 7...12 В, при номинальном значении 11,5 В.

Основным применением этой трубки была проверка чувствительности приемников РЛС. Как это обычно было с приборами СВЧ, предназначенными для техники ПВО, в паспортах и этикетках таких трубок название и производитель скрыты. Впрочем, могу сказать, что выпущена она саратовским производственным объединением (ныне АО) "Тантал".

Ну и, конечно, "Поставлять на экспорт запрещается".


(фото с форума LASERS.ORG.RU)

Источники:

1. Черепанов В.П., Коневских В.М., Львов В.Н. Газоразрядные источники шумов. М., Изд-во "Советское радио", 1968.

домой