Особенности электронных приборов СВЧ.

Общие сведения об электровакуумных приборах СВЧ.

Особенности электронных приборов СВЧ.

Электронные приборы СВЧ предназначены для усиления и генерирования колебаний диапазона частот 300 МГц – 300 ГГц (1м -1мм). На работу приборов СВЧ существенно влияют следующие факторы:

1) В диапазоне СВЧ период колебаний соизмерим со временем пролета электронов между электродами прибора, поэтому электроны нельзя считать безинерционными носителями заряда.

2) Длина волны колебаний становится соизмеримой с геометрическими размерами прибора. При этом индуктивности выводов и межэлектродные емкости ламп оказываются сравнимыми по величине с параметрами внешних контуров. Это приводит к ограничению рабочей частоты ламп и необходимости проектировать электронные приборы и подключенные к ним колебательные системы как единое целое.

В обычных электронных лампах используется принцип электростатического управления электронным потоком, при котором изменение переменного напряжения на сетке меняет плотность электронов в пучке. При этом высокочастотный ток создается за счет изменения количества электронов, выходящих из облака пространственного заряда у катода. Время пролета электронов в рабочем пространстве электронной лампы определяется расстоянием между электродами и действующими на них напряжениями. Так как невозможно бесконечно уменьшать расстояние между электродами и увеличивать действующие на них напряжения, то при некоторых достаточно высоких частотах время пролета электронов становится сравнимым с периодом высокочастотных колебаний. В этом случае лампа уже не может рассматриваться как безинерционный прибор и возникает необходимость исследовать влияние инерции электронов на работу лампы на СВЧ.

Чтобы охарактеризовать инерционность прибора на СВЧ вводится понятие угла пролета электронов

Где - время пролета; Т – период колебаний.

Физически угол пролета показывает насколько градусов или радиан изменится фаза переменного напряжения за время пролета электрона.

Если угол пролета , т.е. , говорят о стационарных токах в лампах, т.е. в каждый момент времени можно вычислить ток, протекающий через лампу, считая мгновенные напряжения постоянными.

При мы имеем нестационарные токи. При этом нельзя воспользоваться статическими характеристиками лампы потому, что в одно и тоже значение времени в различных сечениях лампы текут разные конвекционные электронные токи. Полный ток в зазоре складывается из конвекционного тока и тока смещения .

Полный ток в зазоре или во внешней цепи всегда остается неизменной величиной. В результате миниатюризации и выбора рациональной конструкции удается, не меняя принципа действия ламп, создать за счет повышения эффективности электростатического управления приборы малой мощности, работающие вплоть до сантиметрового диапазона длин волн.

Другой путь повышения рабочей частоты прибора связан с реализацией принципа динамического управления электронным потоком, рационально использующего эффект инерции электронов. При динамическом управлении электрическое СВЧ поле изменяет скорость электронного потока на входе прибора, а не его плотность, и лишь со временем в процессе движения электронов, имеющие разные скорости образуют сгущения и разряжения пространственного заряда в пучке. Таким образом, непрерывный электронный поток разбирается на группы электронов, которые и взаимодействуют с электрическим полем выходного устройства прибора СВЧ.

Задача электроники СВЧ состоит в том, чтобы электрические параметры и геометрические размеры прибора выдать таким образом, чтобы в момент пролета «сгустками» выходного устройства этого прибора электрическое СВЧ поле, связанное с этим устройством, оказывало тормозящее воздействие на сгустки, а ускоряющим было в момент разряжения пространственного заряда. В этом случае электронный поток будет отдавать больше своей кинетической энергии СВЧ полю, чем отбирать у него за чсет ускорения электронов, и осуществляется преобразование энергии источника питания в энергию электромагнитных колебаний.

Принцип динамического управления электронным потоком впервые был предложен российским ученым Д.А. Рожанским.

Практическое использование динамического принципа управления электронным потоком привело к созданию большого числа различных типов электронных приборов СВЧ: пролетных клистронов, отражательных клистронов, ламп бегущей и обратной волны (ЛБВ и ЛОВ).

Во всех этих приборах используется электронный поток, прирост электромагнитной энергии происходит в результате преимущественного торможения промодулированного по плотности электронного потока переменным электрическим полем.

Основными элементами СВЧ прибора являются:

1) колебательная или замедляющая система, связанная с высокочастотным полем;

2) источник электронного потока для передачи энергии источника питания ускоренным электронам, т.е. превращающий энергию источника питания в кинетическую энергию электронов;

3) устройство, модулирующее электронный поток;

4) пространство взаимодействия сгруппированного электронного потока с СВЧ электрическим полем.

В пространстве взаимодействия может действовать и постоянное м переменное электрические поля (диоды, триоды, магнетроны, амплитроны, и т.д.)

Области действия постоянного и переменного полей могут быть отделены друг от друга (клистроны, ЛБВ).

Взаимодействие электронов с электрическим полем.

Предположим, что в некоторый момент времени между катодом и анодом СВЧ диода существует однородное электрическое поле Е, состоящее из постоянной Е₀ и переменной Е_~ составляющих. Схема взаимодействия электрона с электрическим полем имеет вид рис. 1.1.

Рис 1.1.

Сила, действующая на электрон в этом поле

Работа dW силы, затраченная на перемещение электрона на расстояние dx, равна

, (1.1)

где dW₀ – работа постоянной составляющей силы F₀; dW_~ - работа переменной составляющей силы .

Если электрон ускоряется электрическим полем, его кинетическая энергия возрастает (m – масса, V – скорость электрона), так как растет скорость

и аккумулируется в виде энергии движения. Если электрон тормозится электрическим полем, то его кинетическая энергия убывает, и электрон отдает запасенную ранее энергию электрическому полю.

- представляет собой результат взаимодействия электрона с постоянным электрическим полем Е₀. Обычно это поле ускоряющее, следовательно, в процессе перемещения электрона между катодом и анодом он отбирает энергию от постоянного электрического поля.

- отражает результат взаимодействия движущихся электронов с переменным электрическим полем. Поскольку направление переменного поля во времени изменяется, то оно может быть ускоряющим, при и тормозящим при .

В первом случае () энергия переменного поля уменьшается, так как тратится на ускорение электронов. Ускоренные СВЧ полем электроны называют электронами неправильной фазы.

Во втором случае () электроны отдают свою кинетическую энергию переменному полю и энергия переменного поля возрастает.

Для усиления электромагнитных колебаний необходимо, что бы за период колебаний в пространстве взаимодействия прибора число электронов правильной фазы превышало количество электронов, находящихся в неправильной фазе.

Обычно в электронных приборах СВЧ только часть энергии, приобретенной от источника питания, выделяется в виде тепла при попадании электронов на управляющий электрод коллектор.

Таким образом, в электронных приборах необходимо создать такое управление электронным потоком, при котором в пространстве взаимодействия тормозящее переменное поле будет оказывать преобладающее воздействие на электронный поток.

Дата добавления: 2015-07-12