1. Приборы с локальным взаимодействием потока электронов с свч полем.

К данной категории принадлежат СВЧ приборы, в которых обмен энергией между электронным потоком и СВЧ полем происходит в узком по сравнению с длиной генерируемых волн межэлектродном пространстве. Сюда относятся диоды, триоды и тетроды, а также клистроны, широко используемые в радиоэлектронике как генераторы и усилители СВЧ диапазона.

По своей конструкции диод является достаточно простым электронным прибором. При анализе работы многоэлектродных приборов (триодов, тетродов) применяют метод сведения их к последовательности эквивалентных диодов. Однако физические особенности работы самого диода в диапазоне СВЧ оказываются достаточно сложными, не говоря уже о многоэлектродных приборах. Перечислим эти особенности: а) время пролета электрона и период колебаний поля соизмеримы: q ~ 1 (см. диаграмму Рис.2б), при этом конвекционный ток начинает отставать по фазе от катода с ростом координаты x и уже на аноде сильно отстает от фазы анодного напряжения согласно (0-12), наведенный ток оказывается при этом меньше конвекционного; б) в отличие от пролетного клистрона (см. ниже) формирование электронного потока, модуляция по скорости, группирование и возбуждение наведенного тока происходят в общем пространстве катод-анод, что не позволяет управлять этими процессами раздельно. В результате максимальный электронный к.п.д. диодов и триодов в области перехода от дециметровых к сантиметровым волнам оказался на уровне нескольких процентов, что ограничило применение этих приборов там, где требовалась большая СВЧ мощность.

1.1. Клистроны

Клистрон (название происходит от греческих слов klis[ma]+[hlek]trоn, первое из которых означает прилив, прибой) - СВЧ прибор, в котором впервые было использовано динамическое управление электронным потоком или фазовая фокусировка электронов. Основные процессы, характерные для современных СВЧ приборов: модуляция электронного потока по скорости, фазовая фокусировка (группирование) и, наконец, отбор энергии от модулированного по плотности пучка в клистроне реализованы раздельно, что позволяет независимо оптимизировать каждый из этих процессов. Клистроны подразделяются на пролетные и отражательные. В первом случае электронный поток проходит пространство взаимодействия в одном направлении, а во втором - дважды из-за “зеркального” отражения.

1.1.1.Пролетный клистрон

Двухрезонаторный пролетный усилительный клистрон был предложен и осуществлен в 1939 г. братьями Вариан, в те же годы Н.Д. Девятковым и его сотрудниками были разработаны первые конструкции отечественных клистронов, схемы которых изображены на Рис.1-1. Электронный пучок двухрезонаторного клистрона (Рис.1-1а) формируется электронной пушкой или системой катод (1) - ускоряющий электрод (2), где электроны ускоряются потенциалом U₀. Первый резонатор пролетного клистрона (5) служит для модуляции электронного пучка по скорости и называется группирователем. Второй резонатор (6) служит для отбора СВЧ энергии от пучка, имеющего модуляцию по плотности. Металлическая труба (8), соединяющая резонаторы, будучи запредельным волноводом на рабочей частоте, экранирует пространство дрейфа пучка (12), в котором модуляция электронного потока по скорости, благодаря фазовой фокусировке, преобразуется в модуляцию потока по плотности. Оба резонатора, анод и ускоряющий электрод находятся под общим статическим потенциалом U₀. Проходя зазор первого резонатора, к которому приложено переменное напряжение U = U₁sinwt, предварительно ускоренные электроны подвергаются модуляции по скорости.