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

Если замедляющая система является однородной и ее поле не содержит так называемых пространственных гармоник, то эффективного взаимодействия между полем обратной волны и электронным потоком не происходит. Действительно, элект­ ронный поток, перемещаясь навстречу однородному электро­ магнитному полю, изменяющемуся по гармоническому за­ кону во времени, т. е. двигаясь относительно поля со скоро­ стью, равной сумме скоростей электронов и поля, будет мно­ гократно проходить все значения поля за период. При этом среднее значение кинетической энергии электронного потока при прохождении целого числа периодов будет неизменным и равным кинетической энергии, полученной электронами от источника питания при их ускорении, т. е. эффект взаимодей­ ствия будет равен нулю.

При неоднородной замедляющей системе дело будет об­ стоять иначе. В этом случае поле системы является функцией времени и расстояния. Это позволяет разложить такую функ­ цию при постоянном значении текущего времени в ряд Фурье в виде гармонического ряда по координате, совпадающей с осью симметрии электронного потока. При этом поле замед­ ляющей системы можно представить в виде бесконечного множества волн, бегущих вдоль электронного потока на-i встречу друг другу. Эти волны имеют одинаковую частоту изменения во времени, но, складываясь, дают изменение ам­ плитуды поля вдоль системы. Так как они отражают изме­ нение поля вдоль системы за счет ее неоднородностей в про­ странстве, то их принято называть п р о с т р а н с т в е н н ы м и г а р м о н и к а м и . Причем для одной из пространственных гармоник фазовая скорость волн Пф может быть близкой по величине и совпадать по направлению с постоянной состав­ ляющей скорости электронов vq, и в то же время направление групповой скорости огр (которая определяет направление и скорость переноса энергии электромагнитной волны) может

быть ПРОТИВОПОЛОЖНЫМ ОТНОСИТеЛЬНО Иф.

Таким образом, с одной стороны, будет обеспечиваться синхронность движения между волной и электронным пото­ ком е точки зрения величин и направлений Уф и о0 (это обес­ печивает эффективность энергообмена между волной и элект­ ронным потоком), а с другой стороны, распространение энер­ гии волны навстречу электронному потоку обеспечивает воз­ можность создания внутренней положительной обратной

связи.

Возможность получения волны, у которой v$ совпадает с v0, а угр противоположно направлено, можно проиллюстри­ ровать на примере одной из конструкций замедляющих си­

44

волна).

Направление распространения электромагнитной волны показано пунктиром. Очевидно, что направления распростра­ нения энергии волны и электронов противоположны. Однако конструкцией системы и ускоряющим потенциалом можно

Рис. 16

высокочастотное поле в начале замедляющей системы, в каж­ дом последующем зазоре между соседними штырями попа­ дали вновь в ускоряющее поле, а электроны, попавшие в пер­ вом высокочастотном зазоре в тормозящее поле, соответст­ венно и попадали в тормозящее поле в последующих высоко­ частотных зазорах.

Таким образом, с точки зрения взаимодействия с электро­ магнитной волной процессы в ЛОВ не отличаются от анало­

гичных процессов в ЛБВ.

У обычной спирали, используемой в качестве замедляю­ щей системы, поле на оси не имеет заметной неоднородности, но при приближении к виткам оно приобретает неоднород­ ность. Это позволяет использовать такую замедляющую си­ стему для ЛОВ при применении полого электронного потока, перемещающегося вблизи витков спирали. Использование в ЛОВ двухзаходной спирали, создающей неоднородное поле и на ее оси, позволяет применять обычный сплошной по сече­

45

ряющий электрод; 3 — двухзаходная спираль, исполняющая функции замедляющей системы; 4 — поглощающая вставка, необходимая для поглощения прямых волн, и 5 — коллек­ тор) .

♦

Выход

Рис. 17

ЛОВ обеспечивают в миллиметровом диапазоне мощность порядка единиц милливатт, а в сантиметровом — сотен милли­ ватт при КПД, равном единицам процентов и менее. Диапа­ зон электронной перестройки частоты большой (до октавы) при крутизне от единиц мегагерц на вольт в сантиметровом диапазоне до десятков мегагерц на вольт в миллиметровом

диапазоне.

Используются ЛОВ в качестве задающих генераторов, гетеродинов, генераторов импульсов малой мощности и изме­ рительных генераторов качающейся частоты.

Глава 3

Приборы с динамическим управлением электронным потоком М-типа

В приборах О-типа, рассмотренных в главе 2, магнитное поле, используемое для фокусирования электронного потока, направлено по его оси, т. е. совпадает с направлением посто­ янного электрического поля, создаваемого ускоряющим по­ тенциалом. Однако имеется серия высокоэффективных при­ боров СВЧ, в которых магнитное поле используется для ис­ кривления траекторий электронов, т. е. преобразования прямолинейного движения электронов в криволинейное. В этом случае направление магнитного поля выбирается нор­ мальным к направлению постоянного электрического поля,

46

что и оправдывает широко используемый термин — приборы со скрещенными полями. Отметим, что вместе с ним исполь­ зуется и название — приборы М-типа.

§ 3.1. Многорезонаторный магнетрон. Среди приборов со скрещенными полями первым был разработан многорезо­ наторный магнетрон, который широко используется и в на­

магнитным полем. Вначале рассмотрим цилиндрический ко­ аксиальный диод. Такой диод с осевым магнитным полем можно использовать как вентиль с магнитным управлением.

На рис. 19, а приведена зависимость анодного тока такого прибора от величины магнитного поля. Как видно из рисунка, зависимость имеет крутой падающий участок, которому со­ ответствует напряженность магнитного поля, называемая к р и т и ч е с к о й . На рис. 19,6 показаны траектории электро­

нов при различных зна­ чениях напряженности магнитного поля. При не­ больших величинах на­ пряженности магнитного поля электроны по ис­ кривленным траекториям попадают на анод. При критическом магнитном поле траектории электро­ нов касаются внутренней поверхности анода, их поступление на анод пре­ кращается, и резко умень­

47

ного поля электроны описывают траектории, удаленные

от анода.

Многорезонаторный магнетрон работает в режимах, при которых магнитные поля больше критического значения маг­ нитного поля для данной конструкции прибора, и только вследствие взаимодействия электронов с СВЧ полем резона­ торов они могут попадать на анод и образовывать анодный

систему, замкнутую на себя. Существенно, что в системе резо­ наторов, используемой в приборе, при его работе возникает стоячая волна СВЧ поля,

менных многорезонаторных магнетронах радиус катода со­ ставляет значительную часть радиуса анода, то хорошим при­ ближением к реальному цилиндрическому магнетрону может быть модель магнетрона с плоскими параллельными электро­ дами, изображенная на рис. 20. На рисунке дана картина поля при так называемом противофазном виде колебаний, или колебаниях я-вида, когда потенциалы на соседних сегментах анода находятся в противофазе (в общем случае изменение фазы СВЧ потенциалов при переходе от одного резонатора к соседнему может быть любым).

Из рис. 20 видно, что электроны, перемещающиеся слева направо против щели резонатора /, испытывают ускорение в тангенциальном направлении, а в следующей щели (резона­ тор II) — торможение. Под сегментами анода между щелями резонаторов основное влияние на движение электронов будет оказывать нормальная (радиальная для реального цилиндри­ ческого магнетрона) составляющая поля, причем для указан­

48

Расчет траекторий электронов в плоском диоде при нали­ чии магнитного поля, направленного нормально к силовым линиям электрического поля, показывает, что электроны дви­ гаются по циклоидам, т. е. кривым, описываемым точкой катя­ щегося по прямой круга. На рис. 21 соответствующие траек­ тории показаны пунктиром.

Особенность движения электронов при наличии поля бегу­ щей волны — дополнительное изменение скорости электронов.

волны в тангенциальном направлении. Увеличение скорости электрона приводит к тому, что точка его остановки смеща­ ется ниже поверхности катода, т. е. он ударяется о катод с заметной энергией, подогревая его. Это позволяет в некоторых типах магнетронов выключать питание накала катода после возникновения генерации. Хотя эти электроны, назы­

пространства взаимодействия, что не мешают получению вы­

сокого КПД.

При рассмотрении процессов в пространстве взаимодейст­ вия принято говорить о сортировке и группировании электро­ нов. Процесс сортировки происходит под действием танген­ циальной составляющей поля бегущей волны и сводится к выше рассмотренным процессам: затормаживаемые элект­ роны, отдающие энергию полю, постепенно перемещаются