Файл: Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник.pdf

энергия электронов. При взаимодействии электроны, находящиеся в тормозящей полуволне поля, не изменяя средней кинетической энергии, смещаются под действием продольной составляющей E z СВЧ-поля в область пространства с большим потенциалом (к поло­ жительному электроду). Происходящее при таком взаимодействии уменьшение потенциальной энергии электронов как раз и равно энергии, получаемой тормозящей полуволной СВЧ-поля. Назовем электроны, передающие потенциальную энергию СВЧ-полю, элект­ ронами в благоприятной фазе. Электроны, взаимодействующие с ускоряющей полуволной СВЧ-поля, смещаясь к отрицательному электроду (катоду), увеличивают свою потенциальную энергию. Рост энергии электронов происходит за счет отбора энергии от СВЧ-поля. Электроны, отбирающие энергию СВЧ-поля, можно назвать электронами в неблагоприятной фазе. Электроны в небла­ гоприятной фазе, если они начали взаимодействие с полем недалеко от поверхности отрицательного электрода (на рис. 5.4 у0 < d), быстро уйдут вниз и не смогут существенно увеличить свою потен­ циальную энергию. В этих условиях энергия, отбираемая от поля электронами в неблагоприятной фазе, незначительна, и в целом энергия, отдаваемая полю электронами, сгруппированными в бла­ гоприятной фазе, будет превышать энергию, отбираемую от поля электронами в неблагоприятной фазе.

Чем сильнее тормозящее поле E z, тем больше скорость перенос­ ного движения в подвижной системе координат, тем дальше элект­ рон смещается к положительному электроду и большую потенциаль­ ную энергию передает СВЧ-полю. Группирование электронов в бла­ гоприятной фазе происходит около электрона, двигающегося в мак­ симальном тормозящем поле волны (электрон 2 на рис. 5.6). Поэтому для них наиболее благоприятны условия взаимодействия и передачи энергии полю. Необходимо, чтобы в течение всего времени взаимодей­

(v0z — vn — Оф). При этих условиях электроны, начавшие движение в тормозящем поле, остаются в этом поле, но группируются и сме­ щаются к положительному электроду. Таким образом, эти электро­ ны все время остаются в благоприятной фазе и смещаются в область максимума поля.

можно назвать условием синхронизма для приборов типа М, в кото­ рых электронный поток вводится в пространство взаимодействия параллельно электродам (приборы с инжектированным электрон­ ным потоком).

103

ГЛ А В А 6

ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ и о б р а т н о й в о л н ы т и п а м

§ 6.1. Принцип работы лампы бегущей волны типа М (ЛБВМ)

По конструкции лампы бегущей волны типа М делятся на плос­ кие и цилиндрические. На рис. 6.1 приведена схема устройства ЛБВМ плоской конструкции. Лампа имеет две основные части: инжектирующее устройство и пространство взаимодействия.

Инжектирующее устройство состоит из катода и управляющего электрода, обеспечивающих создание ленточного электронного по-

Рис. 6.1

тока и ввод его в пространство взаимодействия. Электроны, выле­ тевшие из катода, в скрещенных статических электрическом Еувр и магнитном В полях в пространстве между катодом и управ­ ляющим электродом двигаются по циклоидальной траектории. Под­ бирают такие условия, чтобы электроны в момент входа в простран­ ство взаимодействия, образуемого верхним электродом замедля­ ющей системы (анод) и нижним электродом (холодный катод или ос­ нование), находились на вершине циклоиды. В этой точке имеется только горизонтальная составляющая скорости v0z, которая опре­ деляется по формуле (5.13)

Ранее было выяснено, что если начальная скорость электронов направлена параллельно электродам и равна переносной скорости, то траектория электронов прямолинейна. Переносную скорость в пространстве взаимодействия определяют по формуле (5.9). Таким образом, при выполнении условия v0z = ѵв траектория оказывается прямолинейной и электроны должны попадать при отсутствии высо­ кочастотного поля в пространстве взаимодействия на коллектор.

101

Высокочастотный сигнал подводится через согласованный вход замедляющей системы, а выводится через выходное устройство. Если фазовая скорость волны Ѵф равна переносной скорости иш то в пространстве взаимодействия происходит увеличение энергии СВЧ-поля в результате уменьшения потенциальной энергии элект­ ронов. Для предотвращения самовозбуждения имеется, как в ЛБВ типа О, поглотитель.

Процесс взаимодействия рассмотрен в § 5.2. Под действием по­ перечной составляющей СВЧ-поля происходит группирование

У - У

электронов в области максимума тормозящего поля волны. Про­ дольная составляющая тормозящего СВЧ-поля заставляет элек­ троны смещаться вверх к аноду.

Ранее мы рассматривали взаимодействие с СВЧ-полем беско­ нечно тонкого ленточного потока. В действительности электронный поток, входящий в пространство взаимодействия, имеет определен­ ную толщину А (см. рис. 6.1). Напряженность СВЧ-поля в ячейках замедляющей системы зависит от поперечной координаты у, поэтому взаимодействие поля и электронов, находящихся в разных точках сечения потока, различно. Верхние электроны испытывают воздей­ ствие более сильного СВЧ-поля, чем нижние. На рис. 6.2 показано смещение электронов в подвижной системе координат (движущейся синхронно с волной). Стрелки обозначают смещение во времени электронов, начавших движение в разных фазах СВЧ-поля, а тол­ стые линии — верхнюю и нижнюю границы электронного потока, наблюдаемые в подвижной системе координат. Смещение электронов на верхней границе всегда больше, чем на нижней, поэтому сечение пучка пульсирующее: оно в тормозящем поле увеличивается, а в ускоряющем — уменьшается. Расчеты показывают, что в при­ борах типа М, несмотря на группирование электронов в тормозящем поле, объемная плотность электронного потока остается постоян­ ной, так как одновременно с продольным группированием проис-

105

ходит увеличение сечения пучка (растет размер пучка в поперечном направлении).

Пульсация границ пучка не означает, что имеются колебания электронов в поперечном направлении: границы пучка на рис. 6.2 создаются различными электронами, траектории которых изобра­ жены стрелками.

Границы электронного потока в неподвижной системе коорди­ нат для определенного момента времени показаны на рис. 6.3. Пунктирными горизонтальными прямыми отмечены границы пучка, когда нет СВЧ-поля. При наличии СВЧ-поля электроны находятся в выбранный момент времени внутри заштрихованной области. В другой момент времени волна оказывается смещенной вправо на

некоторое расстояние, а выбранный электрон, если он находится в тормозящем поле, сместится вверх к положительному электроду. Со временем такой электрон плавно смещается вверх. Штрихпунктирной линией показана траектория электрона, начавшего движение в максимуме тормозящего поля в точке А. Точками А', А" показаны положения этого электрона через каждый период СВЧ-на- пряжения, когда тормозящее поле имеет опять максимальную величину. Электрон, находившийся в момент времени t в точке А, перейдет за период Т в точку А', а электрон, бывший в точке Л ', за это же время переместится в точку А" и т. д.

В конце пути электроны попадут на коллектор. Однако, если амплитуда СВЧ-сигнала велика, электроны могут попасть раньше на верхний положительный электрод замедляющей системы. Эти электроны отдают полностью свою потенциальную энергию СВЧ-по­ лю. Линейная связь выходного и входного сигналов наблюдается до тех пор, пока электроны не начнут попадать вблизи коллектора на анод замедляющей системы. С дальнейшим повышением входного сигнала все большее число электронов будет попадать на анод, при­ чем точка попадания электронов смещается влево. В этом случае замедляется рост выходной мощности, а коэффициент усиления ЛБВМ начинает уменьшаться. При некотором входном сигнале на­ ступает режим насыщения. Таким образом при малом входном сигнале, пока электроны не попадают в конце лампы на анод, режим работы линейный, при котором коэффициент усиления максималь-

106

ный. При большом входном сигнале наступает нелинейный режим работы, характеризуемый насыщением, при котором выходная мощ­ ность и к. п. д. максимальны, а коэффициент усиления снижается.

§ 6.2. Характеристики и параметры ЛБВМ

Электронный к. п. д. Определим к. п. д. ЛБВМ способом, кото­ рый применим и для других приборов типа М.

В приборах типа М происходит передача потенциальной энер­ гии электронов СВЧ-полю замедляющей системы. Пусть электрон попадает на анод замедляющей системы, имеющий потенциал U0. Электрон, вылетая из катода, имеет потенциальную энергию eU0, а при попадании на анод — нулевую. Однако не все изменение по­ тенциальной энергии eU0 идет на увеличение энергии СВЧ-поля. Для выполнения условия синхронизма начальная скорость элек­ тронов при влете в замедляющую систему должна определяться формулой (5.22). Кинетическая энергия электрона при этой скорости

а при вылете из катода равна нулю. Рост кинетической энергии произошел в результате уменьшения потенциальной энергии элект­ рона на величину еНсинх, причем

Величина Нсинх соответствует потенциалу точки влета электрона в пространство взаимодействия и называется потенциалом синхро­ низации. Таким образом, (6.3) выражает потерю потенциальной энергии, необходимой для сообщения электронам начальной ско­ рости, требуемой условием синхронизма в пространстве взаимодей­ ствия.

Потенциальная энергия, передаваемая СВЧ-полю, равна раз­

Потенциал синхронизации связан с условием синхронизма и, следовательно, с величиной фазовой скорости бегущей волны. При

107