Файл: Приемные устройства радиолокационных сигналов конспект лекций..pdf

ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ

3.1. Физические основы работы электроннолучевого параметрического усилителя

Из курса физики известно, что электрон, влетающий в постоян­ ное магнитное поле, будет двигаться прямолинейно, если вектор его скорости ѵ параллелен силовым линиям магнитного поля. Если же вектор ѵ направлен под углом к силовым линиям, то электрон начнет двигаться по спирали (рис. 32).

48

пропорциональна квадрату радиуса г, по которому он движется при фиксированной сои:

( 2)

Из сказанного выше следует, что для возбуждения циклотрон­ ного движения электронов необходимо создать постоянное магнит­ ное поле, направленное вдоль оси электронного луча, и приложить к электронам силу, вектор которой перпендикулярен направлению силовых линий магнитного поля.

3.2. Возбуждение циклотронной волны (быстрой волны пространственного заряда) в электронном луче

Создадим в вакууме с помощью электронной пушки (такой же, каку лампы бегущей волны) электронный луч, в котором все элек­ троны движутся прямолинейно. Направим этот электронный луч вдоль оси соленоида, создающего постоянное магнитное поле. На пути луча поставим колебательный контур так, чтобы электронный луч проходил между пластинами конденсатора контура. К контуру подведем' напряжение частоты сигнала и настроим контур «а эту частоту. Напряженность постоянного магнитного поля, создавае­ мого соленоидом, подберем так, чтобы циклотронная частота «ц равнялась частоте сигнала шс.

Рассмотрим взаимодействие одно­ го электрона, влетающего в электри­ ческое поле конденсатора, с этим полем (рис. 33). Полагаем, что на­ правление движения электрона со скоростью ѵ0 и направление магнит­ ны^ силовых линий перпендикуляр­ ны плоскости рисунка.

Если в момент входа электро­ на в пространство между пласти­

нами на верхней пластине «+», а ,на нижней «—», то на электрон будет воздействовать сила электрического поля, перпендикулярная направлению его движения, и электрон получит составляющую скорости оь направленную к верхней пластине и перпендикуляр­ ную направлению магнитных силовых линий. Как известно, в этом случае он начнет двигаться по спирали. Через половину периода

Ус

-у частоты юс=я tu,, электрон сделает половину оборота по цикло-

тронной траектории и его вектор скорости будет направлен к

Г

нижней пластине (рис. 33). Но за это же время -у- полярность

бавочную составляющую скорости ѵ± (рис. 34). Поскольку цикло­ тронная частота зависит только от величины напряженности по­ стоянного магнитного поля и измениться не может, то увеличение

1 1 -

Рис. 34

скорости движения электрона возможно только за счет увеличения

вторяется и, когда электрон выходит из пространства между пла­ стинами, то он дальше движется по спиральной траектории. Вели­ чина радиуса спирали при постоянных первоначальной линейной скорости ѵ0 и напряженности магнитного поля линейно зависит только от амплитуды напряжения частоты сигнала, приложенного к пластинам конденсатора. Аналогично взаимодействуют с электри­ ческим полем конденсатора все остальные электроны.

Таким образом, электронный луч, после пластин конденсатора, колебательного контура, который мы будем называть в дальнейшем входной цепью усилителя, движется по спирали, с радиусом, про­ порциональным приложенному ко входной цепи напряжению сигна­ ла. Как видим, энергия сигнала во входной цепи затрачивается на создание циклотронного движения электронного луча. Закон моду­ ляции сигнала при этом полностью сохраняется в силу линейной зависимости радиуса от напряжения сигнала. Энергия сигнала, пе­ реносимая электронным лучом, пропорциональна квадрату радиуса.

3.3. Усиление циклотронной волны

Описанный выше процесс еще не является процессом усиления. Энергия циклотронной волны равна затраченной на ее образование энергии сигнала минус потери во входной цепи.

Для усиления циклотронной волны необходимо увеличить ра­ диус вращения электронов (радиус спирали). Тогда энергия волны возрастает пропорционально квадрату радиуса.

Очевидно, увеличение радиуса движения электронов можно по­ лучить, увеличивая их скорость движения по окружности. Тогда в

50

С этой целью используется переменное электрическое поле, уско­ ряющее электроны и вращающееся с той же скоростью, что и элек­ троны. В дальнейшем будем называть это поле полем накачки.

Для обеспечения линейного усиления необходимо, чтобы ампли­ туда напряженности усиливающего поля возрастала линейно по мере удаления от оси электронной спирали, т. е. пропорционально радиусу.

Такое поле можно создать с помощью четырехполюсного (квадрупольного) конденсатора, пластины которого имеют поперечное сечение в виде гиперболы. Противоположные пластины конденса­ тора соединены, и к ним приложено напряжение накачки (рис. 35).

Частота напряжения накачки выбирается равной удвоенной цикло­ тронной частоте.

Если поместить начало координат в центре конденсатора, а оси X и у направить через середины соседних пластин, то амплитуду потенциала между пластинами можно записать в виде

Ѵ= % ё(У *-Х*),

где

U„ — амплитуда напряжения накачки на пластинах; d — расстояние от оси конденсатора до пластин.

Амплитуды составляющих напряженности поля накачки по осям х и у будут соответственно равны

Тогда амплитуда напряженности поля накачки в любой точке меж­ ду пластинами равна

51