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

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

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.