Файл: Кацман, Ю. А. Электронные и квантовые приборы сверхвысоких частот учебное пособие.pdf

дов. Последнее существенным образом влияет на возможность конструирования мощных ламп с электростатическим управ­ лением для непрерывного'режима. Однако при импульсном режиме с малым коэффициентом заполнения использование ламп возможно для получения весьма значительных колеба­ тельных мощностей.

Уменьшение междуэлектродных расстояний и емкостей не снижает вредного влияния индуктивностей и активных сопро­ тивлений выводов электродов. Поэтому у СВЧ ламп выводы заменены развернутыми проводящими поверхностями, поз­ воляющими включать лампу непосредственно в объемные резонаторы и сводить к мини­ муму величины индуктивно­ стей и активных сопротивле­

ний выводов.

При усовершенствовании СВЧ ламп стекло, используе­ мое в качестве изолирующих элементов колбы, заменили специальной высокочастотной керамикой с малыми потеря­ ми. Это значительно повысило возможности нагрузки элект­ родов ламп.

К специально сконструированным для работы в схемах СВЧ диапазона лампам относятся маячковые, карандашные, металлокерамические и резнатроны.

В виде примера рассмотрим маячковую лампу, в конст­ рукции которой нашли отражение все специфические для СВЧ диапазона конструктивные особенности (рис. 7), где 1 и

Рабочие зазоры между катодом, сеткой и анодом образованы плоскими электродами. Все выводы сделаны в виде дисков, которые изолированы друг от друга стеклянными цилиндра­ ми. Стеклянные цилиндры — изоляторы образуют баллон лам­ пы. Диски выступают за стенки баллона, образуя своими вы­ ступами кольцеобразные контактные вводы этих электродов. Лампа может быть непосредственно вставлена в коаксиаль­ ную линию или связана с полыми резонаторами.

Основной особенностью всех ламп СВЧ диапазона явля­ ется малый зазор между катодом и сеткой. У маячковых ламп этот зазор делают меньше 0,1 мм.

16

Кроме маячковых ламп, разработаны аналогичные им ка­ рандашные лампы, у которых электроды цилиндрической фор­ мы. Маячковые и карандашные лампы в непрерывном режиме в зависимости от рабочей частоты могут генерировать мощно­ сти от долей ватта до нескольких ватт и соответственно в им­ пульсном режиме до единиц киловатт.

Как уже указывалось, значительное повышение отдавае­ мой колебательной мощности возможно при использовании в качестве изолирующих элементов вместо стекла специаль­ ной керамики, как это сделано в так называемых металло­ керамических лампах.

Наиболее мощными приборами являются лучевые тетроды, получившие название резнатронов, которые обеспечивают колебательную мощность в десятки киловатт в непрерывном

режиме.

Все перечисленные приборы обычно используются в диа­ пазоне от единиц сантиметров до одного метра при макси­ мальном КПД порядка 70% и при относительно небольшом уровне шумов.

К основным достоинствам ламп с электростатическим управлением электронным потоком следует отнести: неболь­ шие величины анодных потенциалов, простоту конструкций и небольшую зависимость частоты генерируемых колебаний и отдаваемой СВЧ мощности от изменений питающих потен­ циалов и сопротивления нагрузки.

Глава 2

Приборы с динамическим управлением электронным потоком О-типа

Приборы, в которых конечное время пролета электронов не только не является отрицательным фактором, но даже, на­ оборот, используется для преобразования скоростной модуля­ ции в модуляцию электронов по плотности, получили назва­ ние приборов с д и н а м и ч е с к и м у п р а в л е н и е м . В при­ борах О-типа используется для фокусировки электронных по­ токов продольное (направленное вдоль электронного потока)

магнитное поле.

§ 2.1. Пролетный клистрон. В клистронах взаимодействие электронов с СВЧ полем происходит в зазорах объемных ре­ зонаторов, где сосредоточено электрическое СВЧ поле.

модуляцию. Она заключается в том, что часть электронов, проходящих СВЧ поле в ускоряющий полупериод, получает увеличение скорости, а часть электронов, проходящих то же поле в тормозящий полупериод, получает уменьшение скоро­ сти по сравнению с постоянной, достигнутой за счет ускоряю­ щего поля, создаваемого потенциалом источника питания. Дальнейшее движение скоростно-модулированного электрон­ ного потока в пространстве без поля СВЧ — так называемый дрейф потока, ведет к смещению одних зарядов по отноше­ нию к другим.

Замедленные электроны отстают, а ускоренные их догоня­ ют. В результате образуются электронные уплотнения, т. е_ постоянный по плотности вначале электронный поток полу­ чает переменную составляющую.

Если на пути электронных уплотнений поставить объемный резонатор таким образом, чтобы электронный поток проходил через зазор, где сконцентрировано электрическое поле, то электронные уплотнения будут наводить токи в объемном ре­ зонаторе, а поле в зазоре будет тормозить электронные уплот­ нения (и ускорять электроны между уплотнениями, но таких будет значительно меньше, чем в уплотнениях). Поэтому бу­ дет передаваться мощность от электронного потока СВЧ полю объемного резонатора. Другими словами, при торможе­ нии большинства электронов (и ускорении очень небольшого количества электронов) электронный поток теряет значитель­ ную часть кинетической энергии, которую приобрел от источ­ ника постоянного анодного потенциала. Эта передаваемая второму резонатору энергия значительно превосходит вход­ ную СВЧ мощность, подаваемую от постороннего источника

входят электронная пушка 1, коллектор 5 и система фокуси­ ровки электронного потока. Фокусировка электронного потока необходима, так как одинаково заряженные по знаку элект­ роны взаимно расталкиваются и в пространстве без фокуси­ рующих полей быстро осели бы на стенки пролетных труб. Система фокусировки (на рисунке не приведена) обычно вы­ полняется в виде постоянных магнитов или в виде электро­ статических линз.

18

Изложенные выше физические процессы модуляции и группирования можно пояснить с помощью так называемой пространственно-временной диаграммы (рис. 8,6). Эта диа­ грамма отражает движение электронов в зависимости от вре­ мени. Рассмотрим движение слоев электронного потока от входного до выходного резонаторов, которые проходят через зазор входного резонатора последовательно друг за другом

Рис. 8

через четверть периода колебаний усиливаемого СВЧ сиг­ нала. График временной зависимости переменной разности по­ тенциалов на зазоре входного резонатора приведен под пространственно-временной диаграммой.

На рис. 8,6 показано движение девяти слоев электронов, из которых 1, 3, 5, 7 и 9-й обладают переменной скоростью, равной нулю, и поэтому перемещаются равномерно с посто­ янной скоростью v0. И х движение на диаграмме определяется параллельными прямыми линиями с углом наклона, задавае­ мым величиной v0 (пунктирные линии). Слои 4-й и 8-й со­ ответствуют ускоренным электронам, поэтому перемещаются быстрее слоев 3-го и 7-го и при движении приближаются к последним. Слои 2-й и 6-й соответствуют замедленным элек­

тронам и отстают от слоев 1-го и 5-го, приближаясь к слоям 3-му и 7-му. Так образуются электронные уплотнения.

В том сечении электронного потока, которому соответст­ вует пересечение траекторий электронов, т. е. образование уп­ лотнений, необходимо, очевидно, расположить зазор второго резонатора.

Как уже выше отмечалось, на его зазоре возникает тормо­ зящее для уплотнений поле. То, что поле противофазно по отношению к проходящему через зазор переменному элект­ ронному току, объясняется тем, что поле наводится этим пере­ менным током.

Часто пролетные клистроны имеют много резонаторов (от трех до шести), последовательно расположенных вдоль элект­ ронного потока. Работу такого клистрона можно представить себе как последовательное включение нескольких двухрезона­ торных клистронов. Однако из-за того, что промежуточные резонаторы не нагружены на внешние волноведущие системы, параметры многорезонаторных клистронов лучше, чем у це­ почки двухрезонаторных клистронов.

Рассмотрим подробнее основные процессы, определяющие выходные параметры пролетных клистронов. Предварительно необходимо остановиться на колебательных свойствах элект­ ронного потока.

Благодаря действующим при группировании силам электростатического расталкивания электронных зарядов, которые эквивалентны силам упругости, возникающим при механических колебаниях, различие в скоростях группирую­ щихся электронов убывает за счет их торможения этими си­ лами по мере образования электронного уплотнения. Таким образом, кинетическая энергия, запасенная электронным по­ током при скоростной модуляции, переходит в потенциальную энергию электронного уплотнения, а сам процесс группирова­ ния приобретает колебательный характер. Если переменные скорости не очень велики и при образовании электронного уп­ лотнения полностью подавляются силами продольного рас­ талкивания, то в последующем движении электронов можно наблюдать рассасывание уплотнения и возникновение вновь за счет поля уплотнения скоростной модуляции, т. е. переход потенциальной энергии уплотнения в кинетическую энергию скоростно-модулированного потока. Переходы скоростной модуляции в модуляцию по плотности и обратно могут повто­ ряться многократно, образуя стоячие волны переменных со­ ставляющих скорости и плотности. Такие стоячие волны можно рассматривать как результат сложения двух электрон­

20

ных волн, перемещающихся с различными скоростями: быст­ рой волны со скоростью, большей постоянной скорости, и мед­ ленной волны со скоростью, меньшей постоянной.

В момент, когда переменные скорости полностью израсхо­ дованы на образование уплотнения, последнее перемещается с постоянной скоростью, полученной электронами от источ­

и следует перейти.

Пусть, как показано на рис. 9, в электронном потоке бес­ конечного сечения имеются два слоя АВ и CD, симметрично расположенные на расстоянии z0 относительно плоскости SS, и постоянная составляющая скорости у0 направлена по оси потока z. Тогда, предполагая, что за счет скоростной модуля­ ции слой АВ является ускоренным, т. е. имеющим скорость Уо + Лу, а слой CD в той же мере замедленным, т. е. имеющим скорость у0 — Лу, будем иметь в плоскости SS центр образую­ щегося электронного уплотнения. Рассматривая движение слоев АВ и CD в движущейся со скоростью у0 системе ко­ ординат, получаем, что эти слои перемещаются с одной и той же скоростью Ду в направлении плоскости SS и через не­ который момент времени, пройдя одинаковый путь, окажутся в положении А ХВ Х и C\D\. Если до процесса группирования - электронный поток имел равномерно распределенный объем­ ный заряд плотности р0, то теперь в пространстве А ХВ Хи C\DX имеется избыточный заряд, который до группирования распо­ лагался между слоями АВ —А ХВ Хи CD — C\DX. Если расстоя­ ние между ними равно г, то величина избыточного заряда на единицу поверхности сечения потока будет

21