Файл: Кацман, Ю. А. Электронные и квантовые приборы сверхвысоких частот учебное пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.10.2024
Просмотров: 72
Скачиваний: 1
колебания будут затухать в резонаторе, а прибор в целом не будет генерировать высокочастотную мощность.
Нулевая зона не является единственно возможной зоной генерации. Уплотнения, для которых время пролета в прост ранстве дрейфа удовлетворяет условию
т = |
г ( я + - |) , |
(2.29) |
где п = 1, 2, 3 . . . , будут |
отдавать мощность полям |
резо |
натора. Приведенное выражение является обычным условием самовозбуждения генератора — баланса фаз. Соответствую щие зоны генерации получили название первой, второй, третьей и т. д. Таким образом, отдельные зоны генерации от личаются по времени пролета средних электронов уплотнений на целое число периодов колебаний генератора. Но нельзя считать, что зоны генерации определяются только этим усло вием— условием баланса фаз, потому что, как уже говори лось выше, часть высокочастотной энергии теряется в резона торе, а для генерации необходимо вполне определенное высокочастотное электрическое поле в зазоре резонатора для скоростной модуляции электронного потока. Это приводит ко второму обычному для генераторов условию самовозбуж дения— условию баланса амплитуд (амплитуда возбуждае мого уплотнения электрического высокочастотного поля в ре зонаторе должна быть больше или равной амплитуде высоко частотного электрического поля, которое модулировало элект ронный поток).
Тесно связано с этим условием понятие о пусковом токе — токе, величина которого достаточна для самовозбуждения от ражательного клистрона. При фиксированных величинах по тенциалов, поданных на электроды клистрона, величина пус кового тока определяет мощность, потребляемую от источ ника питания, при которой возникает генерация высоко частотных колебаний.
При использовании отражательного клистрона в качестве гетеродина в радиоприемном устройстве СВЧ или задающего генератора в передающем устройстве большое значение имеет возможность перестройки генерируемой частоты изме нением времени пролета в пространстве дрейфа. Такую пере
стройку частоты, называемую э л е к т р о н н о й |
н а с т р о й |
кой, можно осуществить в любой электронной |
лампе СВЧ |
с большим углом пролета. Но обеспечивается большой диа пазон электронной перестройки и просто осуществляется в отражательном клистроне, у которого имеется только один
колебательный контур и можно получить значительные изме нения времени пролета, меняя потенциал отражателя.
Возможность осуществления настройки в отражательном клистроне определяется тем, что при изменении пролета в про странстве дрейфа условие баланса фаз достигается на часто те, отличной от частоты резонатора. При этом сопротивление резонатора изменяется пропорционально cos<p, где ф— угол расстройки. Удаление рабочей частоты отражательного клист рона при изменении времени пролета в пространстве дрейфа
от резонансной для резонатора увеличивает угол ф и ведет, в конечном счете, к нарушению условия баланса амплитуд, что и определяет границы зоны генерации.
На рис. 12 показаны выходная мощность и кривые изме нения генерируемой частоты в зависимости от потенциала отражателя. На этом рисунке изображены три зоны генера ции, соответствующие значениям п, равным 1, 2 и 3, т. е. первая, вторая и третья зоны.
Электронная настройка характеризуется двумя парамет рами: крутизной S и диапазоном электронной настройки 2Д/. Крутизна определяется как отношение разности генерируе мых клистроном частот к разности потенциалов отражателя, соответствующих этим частотам. Как следует из рассмотре ния кривых рис. 12, крутизна равна tg а и возрастает с ро стом номера зоны. Величину диапазона электронной на стройки принято определять по таким крайним отклонениям генерируемой частоты от значения частоты в центре зоны, при которых падение отдаваемой мощности происходит в два ра
3 зак. 1604 |
33 |
за. Как и крутизна, диапазон электронной настройки увели чивается при переходе к зонам с большим номером.
Конструктивно отражательные клистроны выполняются в виде металло-стеклянной конструкции с внешним резона тором для длинноволновой части сантиметрового или деци метрового диапазонов и в виде металлической конструкции с внутренним резонатором для сантиметрового и миллиметро вого диапазонов. Отражательные клистроны имеют механи ческую перестройку частоты за счет изменения параметров резонатора, которая может достигать десятков процентов от средней частоты.
К достоинствам отражательных клистронов следует отне сти простоту конструкции, механическую перестройку часто ты, электронную перестройку частоты без затраты мощности источников питания и высокую механическую прочность. Од нако у отражательных клистронов есть ряд недостатков: ма лая мощность (единицы ватт и меньше), малый диапазон электронной перестройки частоты (единицы процентов) и не обходимость применения высокостабилизированных источни ков электропитания.
§ 2.3. Лампа бегущей волны. Динамический метод управ ления потоком электронов может быть реализован не только при дискретном взаимодействии электронов с полем СВЧ в зазорах резонаторов. Возможно и непрерывное эффектив ное взаимодействие электронов и поля СВЧ. Однако для это го необходимо синхронизовать перемещение поля СВЧ с дви жением электронов. Это осуществляется путем использования так называемых замедляющих систем, с помощью которых скорость перемещения электромагнитной волны СВЧ поля вдоль оси электронного потока, оказывается приблизительно равной скорости электронов. Простейшим конструктивным выполнением такой замедляющей системы является проводя щая электрический ток спираль, внутри которой по оси про ходит электронный поток. При этом электромагнитная волна как бы проделывает больший путь вдоль витка спирали при близительно со скоростью света, а ее перемещение по оси, равное шагу спирали, оказывается достаточно замедленным для получения возможности согласования с движением элек тронов. Конечно, такое представление процесса замедления электромагнитной волны явлдется упрощенным и не учиты вает такие факторы, как распределенные емкости и индуктив ности самой спирали, влияние электронного потока и окру жающего спираль экрана.
Полагая, что электромагнитная волна пробегает по витку спирали со скоростью движения электромагнитной волны
34
в вакууме с, определим скорость ее перемещения вдоль оси
спирали. |
Эта скорость, называемая ф а з о в о й |
с к о р о с т ь ю |
в олны, |
будет во столько раз меньше величины с, во сколь |
|
ко раз шаг спирали h меньше длины витка L, т. |
е. ' |
|
|
= с ^ ~ . |
(2.30) |
Эта формула дает приближенное значение фазовой скоро сти и не отражает ее зависимость от частоты, т. е. от так называемых дисперсионных свойств замедляющей системы.
Определив фазовую скорость волны вдоль оси элект
ронного потока, рассмотрим |
процесс их |
взаимодействия. |
Для этого обратимся к рис. |
13. На рис. |
13, а схематически |
показан отрезок замедляющей системы с картиной высоко частотного поля в какой-то момент времени в виде силовых линий электрического поля. На рис. 13,6 приведено изменение осевой составляющей поля Ег вдоль оси потока в пределах одного периода, и на рис. 13,8 показан отрезок замедляющей системы 1 с электронным потоком 2. При этом за положи тельное значение поля принято такое, которое ускоряет элект роны.
Если фазовая скорость Оф и постоянная скорость электро
нов v0 равны, т. |
е. Vcj,— v0, то поле и электроны будут двигать |
ся синхронно. |
Тогда слой SS электронного потока всегда |
находится в плоскости нулевого значения поля. Электроны, предшествующие этому слою, будут находиться в тормозя щем поле, а последующие — в ускоряющем. В результате, как показано на рис. 13, слой АВ, двигаясь со скоростью, боль шей Vo, будет догонять слой SS, а слой CD, двигаясь со ско ростью меньшей v0, будет приближаться к слою 5S с другой стороны. Таким образом происходит группирование электро нов, а образующееся электронное уплотнение будет иметь центром плоскость, в которой поле равно нулю.
В рассмотренном режиме не может быть передачи энергии электронного потока электромагнитному полю замедляющей системы, так как поле ускоряет и замедляет равное число электронов. Однако если несколько увеличить скорость элек тронов, т. е. взять Vo>Vф, образующиеся у плоскостей нуле вого значения поля электронные уплотнения начнут смещать ся ■в область тормозящего поля. Находясь в тормозящем поле, электроны будут совершать полезную работу, переда вая полю энергию, полученную ими от источника питания лампы бегущей волны (ЛБВ) во время ускоренного движе
ния от катода |
до анода (или замедляющей системы), когда |
их постоянная |
составляющая скорости менялась от нуля до |
3* |
35 |
В)
АS
В |
S |
В |
_ L
Рис. 13
36
и0. В результате амплитуда бегущей замедленной высокоча стотной волны будет нарастать, т. е. будет происходить про цесс усиления входной мощности.
Следует отметить, что выбор Vo>v<p не изменит того, что продолжающийся процесс группирования вновь будет обра зовывать электронное уплотнение у плоскостей нулевого зна чения поля при переходе его от тормозящего к ускоряющему с последующим их дрейфом в область тормозящего поля. Не прерывность этого процесса приводит к постоянному смеще нию центра уплотнения в направлении, обратном движению, и образующаяся электронная волна перемещается со скоро стью, меньшей По, что дает основание назвать ее медленной волной.
При теоретическом рассмотрении процессов в ЛБВ исполь зуют или общую теорию возбуждения волноводов или замену замедляющей системы эквивалентной линией передач. Оба метода приводят к аналогичным результатам, так как основ ное уравнение линейной теории ЛБВ, получаемое на основе замены замедляющей системы эквивалентной линией и описа ния процессов в электронном потоке с помощью уравнения колебаний, совпадает с таким же уравнением, следующим из общей теории возбуждения волноводов.
Зададим изменение осевой составляющей поля замедляю щей системы выражением
Am+jn) С |
(2.31) |
*тОг |
|
где Ет0 — начальное значение амплитуды |
поля в момент |
времени; |
|
£— полный угол пролета
£= ОУТ = со(^— to)',
ти п — коэффициенты, показывающие изменение ампли туды и фазы поля в зависимости от £.
Учитывая принятые в литературе по теории ЛБВ обозна чения и терминологию, целесообразно ввести параметры уси ления С и объемного заряда Q. Эти величины равны
С = |
/oR |
и Q = ■4С3 |
4t/0 |
где / о и Uо — значения постоянной составляющей тока и по стоянного ускоряющего потенциала;
W — волновое сопротивление эквивалентной линии замедляющей системы;
37
ач |
параметр |
продольного расталкивания |
для |
|
Полагая |
электронного потока конечного сечения. |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
т = Сх\ |
|
|
|
|
п = С у ; |
|
(2.32) |
|
m + jn = C(x+jy) |
= С 6, |
|
|
можно переписать (2.31) |
так: |
|
|
|
|
|
р pi‘s,t*>pcb' |
(2.33) |
|
|
|
mf\& |
С' |
|
и представить приведенное при описании пролетного клист рона уравнение колебаний электронного потока в виде:
d4 |
-aJz ■ Р0е |
Св; |
|
(2.34) |
||
dl? |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
где |
|
|
|
|
|
|
Л> = |
1 |
е |
р pimtb |
|
|
|
ю2 |
т |
0е |
|
|
|
|
Решение уравнения колебаний с учетом уравнения дви |
||||||
жения |
|
|
|
|
|
|
т-%?г = е ( Е ге + Егр) |
|
(2.35) |
||||
позволяет получить следующее выражение для |
Егр — вели |
|||||
чины поля, определяемого влиянием объемного заряда: |
|
|||||
EZp = |
|
|
+ 4QC ^ гс~ |
' |
(2-36) |
|
Полное поле в электронном потоке, представляющее сум му полей Егс и Ezp, будет определяться выражением
В рассмотренном уравнении колебаний и его решении не известными сохраняются величины х и у, определяющие пара
метр |
Ь— {x+jy)C, который в соответствии с принятой |
в тео |
рии |
ЛБВ терминологией называют п о с т о я н н о й |
р а с |
пр о с т р а н е н и я .
Внастоящее время известно несколько методов определе ния постоянной распространения 6. Ниже будет рассмотрен
наиболее строгий метод — метод самосогласованного поля. Он
38