2. Принцип построения электронных приборов свч с динамическим управлением

Смысл динамического управления сводится к тому, что входной высокочастотный сигнал непосредственно управляет не плотностью, а скоростью сравнительно быстро движущихся электронов.

Для приборов СВЧ характерно объединение активной области прибора, где происходит взаимодействие носителей зарядов с высокочастотным электрическим полем, и колебательной системы с внешней линией передачи.

Среди вакуумных приборов СВЧ можно выделить две основные группы, объединяющие большинство приборов, находящих широкое применение. Это приборы О и М-типов.

В приборах О-типа используются прямолинейные электронные потоки и группирование электронов осуществляется за счет взаимодействия с продольной составляющей электрического поля СВЧ, которому электроны передают кинетическую энергию.

В приборах О-типа электроны группируются за счет взаимодействия потока (в общем случае непрямолинейного) с поперечными составляющими электрического СВЧ-поля и происходит передача потенциальной энергии электронов электромагнитным колебаниям, причем постоянные электрическое и магнитное поля являются ортогональными (скрещенными).

Приборы О- и М-типа, в свою очередь, могут быть подразделены на приборы с резонансными и нерезонансными колебательными системами. К резонансным приборам О-типа относятся клистроны, а к аналогичным приборам М-типа - магнетроны. Среди приборов с нерезонансными системами широкое распространение получили лампы бегущей волны.

Рассмотрим принцип динамического управления на примере двухрезонаторного пролетного клистрона.

У стройство двухрезонаторного пролетного клистрона приведено на рис.1.

Он состоит из вакуумного баллона, внутри которого размещаются:

- электронная пушка (термокатод, фокусирующий электрод и анод) предназначена для формирования, электростатической фокусировки и начального ускорения равномерного электронного потока;

- коллектор (имеет потенциал анода) предназначен для собирания отработанных в высокочастотной системе электронов;

- емкостные зазоры (в виде сеток) входного и выходного резонаторов (колебательных систем СВЧ с распределенными параметрами).

Входной резонатор возбуждается слабым входным сигналом СВЧ с помощью цепи связи и в нем возникает электромагнитное поле СВЧ. При этом в емкостном зазоре резонатора концентрируется электрическое поле СВЧ и разность потенциалов между сетками изменяет величину и знак по закону входного сигнала СВЧ. В выходном резонаторе возбуждаются усиленные по мощности колебания сигнала и с помощью цепи связи передаются в нагрузку. Для дополнительной фокусировки электронного потока может использоваться электромагнитная фокусировка с помощью фокусирующей катушки (векторы Е и Н совпадают по направлению).

Принцип работы

Усиление входного сигнала во всех приборах СВЧ происходит в три этапа:- модуляция электронного потока по скорости;

- модуляция электронного потока по плотности и образование сгустков электронов;

- отбор энергии от сгустков электронов.

В пролетных клистронах это происходит следующим образом:

- модуляция электронного потока по скорости электрическим полем сигнала СВЧ в зазоре входного резонатора - d;

- модуляция электронного потока по плотности и образование сгустков электронов в пространстве дрейфа (между резонаторами) - l;

- отдача кинетической энергии сгустков электронов полю СВЧ в зазоре выходного резонатора.

Рассмотрим более подробно каждый этап.

Под действием ускоряющего напряжения равномерный поток электронов со скоростью

где: e и m -заряд и масса электрона

устремляется в сторону коллектора и попадает в узкий зазор между сетками первого резонатора.

Между сетками имеется продольное высокочастотное электрическое поле, которое периодически ускоряет и замедляет электроны, т.е. модулирует их по скорости.

При этом взаимодействие каждого электрона с СВЧ полем является кратковременным, т.е. величина поля не успевает существенно измениться за время его пролета.

Для пояснения процесса модуляции электронов по скорости воспользуемся пространственно-временной диаграммой (рис.2).

Линии, проведенные на диаграмме, характеризуют движение отдельных электронов, скорость которых определяется углом наклона линии к оси абсцисс.

Рассмотрим группировку электронов 1-6, влетающих в первый резонатор в различные моменты времени в течение периода высокочастотных колебаний U₁Sinwt. Из рисунка видно, что центрами электронных сгустков являются электроны 4, пролетающие зазор резонатора в момент изменения направления высокочастотного напряжения с тормозящего на ускоряющее

.Вокруг них группируются электроны 3 и 5, наиболее сильно замедленные (ускоренные) тормозящей (ускоряющей) фазой электрического поля в зазоре резонатора.Таким образом, ко второму резонатору электроны 3-5 подходят плотными сгустками с интервалом во времени, равным периоду колебаний в первом резонаторе. Если второй резонатор настроен на ту же частоту, что и первый, то в его зазоре находится высокочастотное напряжение U₂Sinwt, так что электронные сгустки оказываются в максимумах тормозящих полупериодов. На рисунке также видно, что не все электроны, проходящие модулирующий резонатор (первый резонатор), группируются в сгустки. Например, при синусоидальной форме модулирующего напряжения электроны 2 и 6 не попадают в тормозящий полупериод высокочастотного поля второго резонатора, а попадают в ускоряющий полупериод и отбирают от него электромагнитную энергию. Мощность колебаний во втором резонаторе может значительно превышать мощность входного сигнала, что обеспечивает усиление, а при наличии обратной связи между вторым и первым резонаторами - и самовозбуждение двухрезонаторного клистрона.Двухрезонаторные клистроны имеют коэффициент усиления К_p=10-15дБ, коэффициент полезного действия h =10-15%, полоса усиливаемых частот менее 1%.

Аналогичные три основных этапа работы происходят и в лампах бегущей волны. Но в этих приборах все три этапа проиcходят при движении электронов вдоль замедляющей системы, тем самым обеспечивается длительное динамическое взаимодействие электронного потока и электромагнитной волны СВЧ. Такие приборы работают в более широкой полосе частот (до 60% от fо) и обладают более высоким КПД (до 50%).

Таким образом при динамическом управлении электронным потоком в приборах СВЧ можно выделить три этапа:

- модуляция электронного потока по скорости;

- модуляция электронного потока по плотности и образование сгустков электронов;

- отдача кинетической энергии сгустков электромагнитному полю СВЧ.