Мощные генераторы СВЧ диапазона

В СВЧ диапазоне обычные приборы (диоды, транзисторы) находят применение только в схемах, работающих с маломощными сигналами (единицы ватт). В диапазоне же больших мощностей (сотни киловатт – единицы мегаватт) в настоящее время широко применяются электровакуумные приборы с динамическим управлением электронным потоком, к которым относятся лампы бегущей волны (ЛБВ), лампы обратной волны (ЛОВ), клистроны, магнетроны и др.

Все электровакуумные приборы СВЧ можно разделить на две основные группы, различающиеся направлением и назначением постоянного магнитного поля. К первой группе так называемых приборов типа «О» относятся лампы, в которых электроны движутся вдоль статического электрического поля; магнитное поле в них или не используется совсем, или применяется только для фокусировки электронного потока и принципиального значения для процесса энергообмена не имеет. Вторая группа ламп называется приборами типа «М» и отличается тем, что электроны движутся во взаимноперпендикулярных (скрещенных) постоянных электрическом и магнитном полях по сложным траекториям.

Принцип действия электровакуумных приборов СВЧ основан на создании электронного пучка необходимой формы и плотности, ускорении электронного пучка с целью приобретения необходимой энергии, модуляции электронного пучка по плотности и передачи энергии ускоренного и модулированного по плотности пучка электронов колебательной системе.

Процесс создания электронного пучка необходимой формы представлен на рис. 4.52. Для ускорения электронов пучка используется статическое электрическое поле, возникающее при приложении между катодом и ускоряющим электродом напряжения U ₀ источника постоянного тока. Это напряжение создает электрическое поле с напряженностью

,

где d – расстояние между электродами.

Если принять заряд электрона е, то поле будет действовать на электрон с сил .

Под действием этой силы электроны увеличивают свою скорость u _е, приобретая дополнительную кинетическую энергию

, (4.55)

где m ₀ – масса электрона.

Подставив в (4.55) значения массы и заряда электрона m ₀ = 9,11×10^-31 кг и е = 1,6×10^-19 Кл, найдем скорость, приобретаемую электронами

. (4.56)

Важным параметром ускоренных электронов, характеризующим влияние инерции электронов на работу прибора, является угол пролета θ, определяемый произведением 2p на отношение времени пролета

между двумя электродами с расстоянием d к периоду колебаний Т.

Угол пролета показывает, на сколько изменилась фаза напряжения U ₀ за счет движения электрона между электродами. Пользуясь этим определением и уравнением (4.55), найдем

. (4.57)

Модуляция электронного пучка по плотности осуществляется посредством модуляции электронов по скорости.

Наибольшее распространение получили два метода модуляции электронного пучка по плотности. Первый из них основан на кратковременном взаимодействии электронов с СВЧ-полем. Схема, поясняющая этот метод, показана на рис. 4.53. Ускоренный электронный пучок входит в зазор между двумя металлическими сетками. К зазору подводится высокочастотное напряжение, создающее переменное электрическое поле, составляющая вектора напряженности которого Е_z в течение одной половины периода противоположна направлению вектора скорости электронов u_e, а в течение второй половины периода – совпадает с ним. В соответствии с этим, электроны, попавшие в зазор во время первого полупериода, ускоряются и увеличивают свою скорость, а во время второго полупериода, наоборот, тормозятся и уменьшают свою скорость. При выходе из зазора и дальнейшем движении (дрейфе) в пространстве группирования электроны, летящие впереди, отстают, а последующие их догоняют, группируясь в сгустки вокруг электронов, скорость которых при прохождении зазора не меняется. Длина пространства группирования выбирается оптимальной для обеспечения максимальной глубины модуляции электронного пучка по плотности.

При втором методе используется длительное взаимодействие электронов с СВЧ-полем. Схема, поясняющая этот метод, показана на рис. 4.54.

В этом случае электронный поток движется совместно с электромагнитным полем бегущей волны. Напомним, что направление вектора электрического поля E_z и направление силы F_z, с которой действует это поле на электрон, противоположны. Будем полагать, что скорость движения электронного пучка u _e и фазовая скорость волны u _ф одинаковы. При данном условии поле и пучок можно рассматривать неподвижными относительно друг друга (t = const). В соответствии с этим в сечениях 3 – 3^/ (рис. 4.54), где поле равно нулю, взаимодействие между полем и электронами пучка отсутствует.

Электроны, находящиеся под воздействием положительной полуволны, ускоряясь, приближаются к плоскости 3 – 3^/ слева, а электроны, оказавшиеся в поле отрицательной полуволны, замедляясь, приближаются к этой же плоскости справа. Другими словами, электроны, двигаясь совместно с электромагнитной волной, группируются в тех плоскостях, где проходит изменение знака E_z с положительного на отрицательный.

Отбор энергии от модулированного по плотности электронного пучка осуществляется теми же устройствами, что и модуляция пучка по плотности. На рис. 6.4 показана схема, поясняющая применение метода кратковременного взаимодействия при отборе энергии от сгустков электронов.

В данном случае к зазору, через который пролетают сгустки электронов, подключается активное сопротивление нагрузки R_н. При прохождении сгустков электронов через зазор во внешней цепи возникает наведенный ток. Проходя по R_н, наведенный ток создает на нем падение напряжения с полярностью, обозначенной на рис. 4.55. Электрод, по направлению к которому двигаются электронные сгустки, оказывается под отрицательным потенциалом. Внутри зазора в момент прохождения электрона или сгустка автоматически создается тормозящее электрическое поле. Скорость электронов уменьшается, и часть высвободившейся кинетической энергии электронов сгустка преобразуется в энергию, выделяемую на нагрузке R_н. После прохождения зазора электроны попадают на коллектор, где остаток их кинетической энергии превращается в тепло.

На рис. 4.56 показана схема, поясняющая применение метода длительного взаимодействия при отборе энергии от сгустков электронов. В этом случае для эффективного взаимодействия с энергией электронного пучка электромагнитному полю необходимо, чтобы фазовая скорость u _ф электромагнитной волны была несколько меньше скорости u _e электронного потока. При этом условии сгусток электронов попадает в область тормозящего поля бегущей волны. В результате торможения сгустка происходит передача его энергии высокочастотному полю. После того, как скорости поля и сгустков сравняются, электроны попадают на коллектор, где остаток их кинетической энергии преобразуется в тепло, нагревающее коллектор.

Дата добавления: 2015-10-28