Файл: Вайнштейн Л.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 262
Скачиваний: 7
Л. А. ВАЙНШТЕЙН, В. А. СОЛНЦЕВ
ЛЕКЦИИ
ПО
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЙ
ЭЛЕКТРОНИКЕ
М О С К В А «СОВЕТСКОЕ Р А Д И О » 1973
6Ф0.3
ви
УД К 621.385.6
В а й н ш т е й н Л. А., С о л н ц е в В. |
А. Лекции по сверхвысоко |
частотной электронике. М., «Сов. радио», 1973, |
400 с. |
Данная книга написана на основе лекций, прочитанных авторами, и пред ставляет собой достаточно элементарный и вместе с тем обобщающий курс по электронике сверхвысоких частот. В книге изложены как основные положения теории сверхвысокочастотных электронных приборов, так и их применение к наиболее важным типам электронных приборов ( магнетронним генераторам, лампам с бегущей волной типа О, приборам с криволинейными пучками).
К каждой лекции приложены задачи с решениями (всего более ста задач), облегчающие проработку материала. В книге имеется десять приложений, в ко торых рассматриваются более трудные и тонкие вопросы, связанные с содержа нием лекций. Большая часть приложений касается свойств пространственного заряда в различных условиях, в одном из приложений изложена теория возбуж денных электронных осцилляторов.
Книга рассчитана на инженеров, аспирантов и научных работников, зани мающихся сверхвысокочастотной электроникой, а также работающих в смежных областях радиофизики и радиотехники. Может быть использована в качестве учебного пособия студентами старших курсов вузов.
66 рис., 1 табл., библ. 104 назв.
S
3312-036 В 046(01)-73 86-72
© Издательство «Советское радио», 1973.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Книга возникла в результате обработки лекций, прочитан ных авторами в двух школах-семинарах по сверхвысокочастотной
электронике, а |
именно в Аштараке (осень 1967 г.) и Саратове (ян |
варь — февраль |
1970 г.). В этих лекциях авторы стремились изложить |
основные положения теории сверхвысокочастотных электронных при боров и показать, как эти положения применяются в частных слу чаях. Не пытаясь охватить всех приборов, мы рассмотрели приборы важнейших типов, стараясь в каждом случае не только проил люстрировать общие закономерности, но и получить конкретные ре зультаты.
В данной книге из десяти лекций шесть посвящены конкретным приборам: генераторам магнетронного типа, лампам с бегущей вол ной (типа О), приборам с криволинейными (в особенности винтовыми) пучками. Две лекции содержат теорию возбуждения резонаторных и волноводных систем заданными токами; именно в такой частной форме обычно приходится использовать уравнения электромагнитно го поля для решения задач сверхвысокочастотной электроники, по скольку переменные электромагнитные поля, создаваемые электрон ными потоками и используемые практически, возбуждаются либо в виде колебаний в резонаторах, либо в виде волн в волноводах. Теория возбуждения резонаторов и волноводов позволяет четко от делить линейную теорию электродинамических систем, применяемых в электронике, от теории взаимодействия электронов с полями (вообще говоря, нелинейной) в этих системах и сосредоточить свое внимание на последней. Теория возбуждения резонаторов и волноводов делает
излишним |
применение |
методов «ad hoc» (т. е. для |
каждого |
отдель |
|||
ного случая), |
как-то: рассмотрение эквивалентных |
схем или |
линий, |
||||
• расчет наведенных токов, использование тех или иных моделей |
замед |
||||||
ляющих |
систем и т. п. |
|
|
|
|||
|
Кроме того, в первой лекции изложены исходные математические |
||||||
и |
физические |
положения, в последней—сказано |
несколько |
слов |
|||
о |
проблемах, |
стоящих |
перед сверхвысокочастотной |
электроникой, и |
о перспективах ее развития. Лекциям предпослано введение, в котором сделана попытка определить, не прибегая к математике, предмет, метод и физическое содержание современной сверхвысокочастотной электроники.
Уже при подготовке ротапринтного издания десяти лекций для Саратовской школы-семинара было признано целесообразным к каж дой лекции приложить задачи (с решениями), облегчающие проработку теоретического материала и содержащие подробности, рассмотрение которых в тексте нарушило бы цельность изложения; в этой книге задач еще больше.
з
Много места в книге заняли приложения. Они посвящены отдель ным вопросам, которые из-за трудности или громоздкости в лекциях
лучше не разбирать и |
которые вместе с тем важны и тесно связаны |
с содержанием лекций. |
Приложения, по мнению авторов, расширили |
круг лиц, для которых будет интересна эта книга: многие утверждения в лекциях получили свое обоснование, а кое-где удалось изложить и новые результаты.
Список литературы к каждой лекции и каждому приложению не является исчерпывающим и охватывает, как правило, лишь работы, непосредственно использованные при написании лекции или прило жения. Каждая лекция разбита на две примерно равные части, отме ченные буквами а и б и соответствующие первому и второму лекцион ному часу. Формулы имеют десятичную нумерацию, причем, например, вторая лекция начинается формулой (2.01), а ее вторая часть —фор мулой (2.51).
Как следует из сказанного, эта книга предназначена не для пер воначального изучения сверхвысокочастотной электроники и рас
считана |
на читателей, |
имеющих некоторую подготовку в |
области |
|
электродинамики |
и электроники сверхвысоких частот и, желатель |
|||
но, практический |
опыт. Однако ее можно частично использовать как |
|||
учебное |
пособие |
для |
студентов. |
|
Основная цель книги — углубить и систематизировать |
теорети |
ческие знания читателей по сверхвысокочастотной электронике. Ис ходным пунктом, определившим отбор и изложение материала, был следующий: экспериментаторы и инженеры обязаны знать и понимать современную теорию не хуже, чем теоретики, и могут уступать по следним лишь во владении математическим аппаратом. Знание теории
важно не только |
потому, |
что теория направляет |
эксперимент |
и раз |
||||
работку, но и потому, что само |
развитие |
теории |
находится в |
прямой |
||||
зависимости |
от практических |
запросов, |
а часто — и от специально |
|||||
поставленных экспериментов. Что же касается |
математического аппа |
|||||||
рата, то им можно овладеть только в результате |
решения задач, в том |
|||||||
числе тех, которые приложены к этим лекциям. |
|
|
||||||
Лекции |
1—4, |
8—10 |
и приложения |
I — IV, V I I I и I X написаны |
Л. А. Вайнштейном, который осуществил также общее редактирова ние книги; 6-я и 7-я лекции и приложения V, V I I и X — В. А. Солн
цевым; 5-я лекция и приложение V I написаны |
совместно. |
В книге применяется абсолютная система |
единиц. |
Авторы благодарны П. Л. Капице за интерес к этой работе и ее поддержку, С. П. Капице, Н. И. Лесик, В. Н. Мелехину, В. Е. Не чаеву, В. Т. Овчарову, Л . П. Питаевскому, А. С. Победоносцеву, Г. П. Прудковскому, Р. А. Силину, В. С. Стальмахову и В. К. Юлпатову за обсуждение и ценные замечания. Авторы признательны рецензентам В. М. Лопухину и М. Б. Цейтлину за полезную критику^
Л. А. Вайнштейн В. А. Солнцев
ВВЕДЕНИЕ
Прежде чем приступить к изложению, сделаем несколько вводных замечаний.
Электронные лампы, применяемые в радиотехнике на сравнитель но длинных волнах (метровых и более длинных), характеризуются двумя условиями. Во-первых, переменные поля в лампе и в ее цепи не должны проявлять своих волновых свойств — электронная лампа должна быть элементом цепи с сосредоточенными постоянными и, в ча стности, вводы и выводы лампы (выполненные в виде проводов) не должны существенно влиять на свойства лампы и ее цепи. Во-вторых, электроны в лампе не должны проявлять своей инерционности —
время их пролета можно считать равным нулю. |
|
|
Первое условие можно выразить в |
виде неравенства |
|
|
|
(0.1) |
где k = со/с = 2п/К — волновое число, |
D — размер лампы |
и ее |
цепи. Второе условие обычно имеет вид |
|
|
<оТ«1, |
|
(0.2) |
где со — круговая частота колебаний, Т —• время пролета электронов через лампу. Если ввести величину 7" = Die — время распростра нения волны через лампу и ее цепь (при необходимости с — скорость света в пустоте — можно заменить на скорость волн в соответствую щей среде или линии), то неравенство (0.1) можно записать в виде
ю Г ' « 1 , |
(0.3) |
аналогичном неравенству (0.2).
В сверхвысокочастотной электронике эти условия уже не обя зательны и заменяются другими, как правило, противоположными. Отметим, что нарушение «полевого» условия (0.1) или (0.3) столь же существенно, как и нарушение «электронного» условия (0.2). Например, обычный триод на сравнительно низких частотах, но с за паздывающей обратной связью (например, с длинной линией в цепи обратной связи) приобретает некоторые свойства сверхвысокочастот ного прибора, подобного отражательному клистрону, в котором за паздывающая обратная связь реализуется вследствие продолжитель ного пролета электронов в пространстве дрейфа и возвращения в об ласть, занятую полем.
Для сверхвысокочастотной электроники наиболее характерны те принципы и конструкции, которые применяются в сантиметровом диа пазоне; освоение сантиметрового диапазона вообще не было бы воз можным без создания сверхвысокочастотной электроники, основанной
на совершенно иных принципах, чем обычная (низкочастотная) электро ника. Электронные приборы, применяемые в длинноволновой части дециметрового диапазона, осуществляют переход от сверхвысокочас тотной электроники к обычной. В миллиметровом диапазоне (особен но в его коротковолновой части) и в субмиллиметровом диапазоне эф фективность сверхвысокочастотной электроники, основанной на объ емных резонаторах и замедляющих системах, резко снижается и тре буются новые принципы (открытые резонаторы, открытые волноводы, квазиоптический ввод и вывод, новые механизмы взаимодействия, связанные с применением криволинейных электронных пучков), о которых мы будем говорить в конце нашего курса, а также новая технология.
Для сверхвысокочастотной электроники наиболее типичны при боры с длительным взаимодействием, удовлетворяющие условию
с о Г » 1 , |
(0.4) |
где Т — время пролета через пространство взаимодействия, |
занятое |
переменным полем. С того времени, когда появилась лампа с бегущей волной и была создана ее линейная теория, стало ясным, что в при борах с длительным взаимодействием должен быть синхронизм элект ронов и полей, в частности, для прямолинейного и не слишком интен сивного пучка и однородной замедляющей системы постоянная ско
рость электронов |
ve должна быть близка к фазовой скорости волны |
и в замедляющей |
системе. |
Важность этого условия видна из того, что все возмущения, создаваемые в электронном пучке переменными полями, «сносятся» пучком со скоростью ve, т. е. имеют вид волн переменного тока и пере менного заряда, распространяющихся вдоль пучка со скоростью ve. Такие волны эффективно возбуждают замедляющую систему только при условии ve£au: тогда происходит накопление возбуждений, про исходящих от различных элементов пучка. Действительно, поле мед ленной волны в данном поперечном сечении есть суперпозиция полей, создаваемых всеми элементами модулированного пучка перед этим сечением, причем поля эти складываются с малыми разностями фаз (так как вдоль пучка и вдоль системы скорости близки) и дают интен сивное результирующее поле. По существу, это — резонанс, анало гичный резонансу в добротных колебательных системах, однако здесь
мы имеем |
дело с резонансом (накоплением полей) в пространстве, |
а не во |
времени. |
Синхронизм, обеспечивающий резонанс в пространстве, в общем случае имеет более сложную формулировку, чем приведенная выше. Так, в достаточно интенсивном прямолинейном пучке возмущения распространяются в виде волн пространственного заряда, фазовые скорости которых заметно отличаются от скорости электронов. Резо нансное возбуждение замедляющей линии в этом случае будет при близости фазовой скорости одной из волн пространственного заряда к фазовой скорости волны в линии. В общем случае, когда электро магнитное поле создается периодической структурой и когда сами электроны перемещаются в пространстве, одновременно совершая
6
периодическое движение, условие синхронизма сводится к прибли женному равенству волновых чисел одной из пространственных гар моник поля и одной из пространственных гармоник электронного пучка (см. 9-ю лекцию).
Выше мы упоминали об обычном резонансе — резонансе во вре мени; он должен происходить в приборах с добротными колебатель ными системами. Первыми и наиболее простыми сверхвысокочастот ными приборами с добротными резонаторами были клистроны — усилительные, генераторные и затем умножительные. Простота их обусловлена тем, что это — приборы с кратковременным взаимодей ствием*; для них выполняется условие (0.2), если под Т понимать время пролета электронов через зазоры, где они взаимодействуют с ре зонаторами, условие (0.4) будет выполняться, если Т—полное время пролета, включающее пролет в пространстве дрейфа. Эффективное возбуждение резонатора электронными сгустками оказывается воз можным лишь тогда, когда частота следования сгустков или ее гар моника близка к собственной частоте резонатора. Тогда последова тельные сгустки возбуждают резонатор «в такт», т. е. синхронно с его собственными колебаниями, в нем происходит накопление полей от целой последовательности сгустков (резонанс во времени) и возникает сильное результирующее поле.
Для того чтобы в любом электронном приборе имеющаяся доброт ная колебательная система использовалась по назначению, т. е. чтобы в ней достигался резонанс, в электронном пучке, возбуждающем колебательную систему, должны происходить пульсации с частотой, близкой к собственной частоте системы. Если мы имеем резонансный прибор с длительным взаимодействием, то в нем должны выполняться сразу два условия синхронизма: как в пространстве, так и во времени. Простейшим примером такого прибора является магнетронный гене ратор, элементарная теория которого изложена в 3-й лекции; в нем, во-первых, фазовая скорость синхронной волны должна быть близка к скорости дрейфа электронов в скрещенных статических полях (ус ловие синхронизма) и, во-вторых, синхронизм должен быть на частоте,
близкой |
к собственной частоте |
колебания (синхронная волна входит |
в состав |
этого колебания как |
одна из пространственных гармоник). |
В дальнейшем под синхронизмом будем понимать чисто кинема |
||
тическое |
условие — близость скоростей, волновых чисел или частот, |
а под резонансом (в пространстве и во времени) — накопление полей, являющееся физическим следствием этого условия.
Пока мы рассматривали синхронизм и резонанс односторонне — с точки зрения эффективного возбуждения полей в волноводе (замед ляющей системе) или резонаторе модулированным электронным пуч ком. Синхронизм обеспечивает также эффективное обратное воздей ствие полей в волноводе или резонаторе на пучок, приводящее к силь ной модуляции пучка и отдаче энергии пучком.
* Дальнейшее развитие клистронов (многорезонаторные клистроны, кли строны с распределенным взаимодействием, твистроны) сделало грань между ними и лампами с бегущей волной довольно условной.