Скоростная модуляция в высокочастотном зазоре.

В простом случае дискретного взаимодействия электроны под действием СВЧ поля резонатора получают так называемую скоростную модуляцию. Она заключается в том, что часть электронов, проходящих СВЧ поле в ускоряющий полупериод, получает увеличение скорости, а часть электронов, проходящих то же поле в тормозящий полупериод, - уменьшение её по сравнению с постоянной, достигнутой за счет ускоряющего поля, создаваемого напряжением источника питания. Для расчёта скорости можно воспользоваться следующей формулой:

,

Где - амплитуда переменной скорости электронов.

Дальнейшее движение скоростно-модулированного электронного потока в пространстве без поля СВЧ-так называемый дрейф потока - ведет к смещению одних зарядов по отношению к другим. Замедленные электроны отстают, а ускоренные их догоняют. В результате между указанными группами электронов образуется электронное уплотнение, т. е. постоянный по плотности электронный поток получает переменную составляющую.

Коэффициент взаимодействия, электронная нагрузка.

Амплитуда переменной скорости электронов прямо пропорциональна амплитуде переменного напряжения и зависит от угла пролета электронов в зазоре. Эта зависимость определяется коэффициентом, характеризующим связь электронного пучка с резонатором, носящим название коэффициента взаимодействия.

12. Приборы с динамическим управлением о-типа: лампы бегущей и обратной волны. Скоростная модуляция в замедляющей системе, сопротивление связи.

Лампы бегущей и обратной волны относятся к приборам с непрерывным взаимодействием электронного потока с полем (полем бегущей или обратной волны). В приборах бегущей волны направление движения электронного потока совпадает с направление фазовой скорости волны. Такие приборы используют как усилители. В приборах обратной волны взаимодействие электронного потока происходит с волной, распространяющейся в обратном направлении. Приборы обратной волны используют в качестве генераторов.

Рисунок 5. Взаимодействие электронного потока полем бегущей волны

При своем распространении электромагнитная волна в ЗС создает продольное (вдоль направления дрейфа электронного потока) электрическое поле Е_Z, имеющее фазовый сдвиг. Пространственное распределение этого поля вдоль оси z существенно неоднородно. Электронный поток со скоростью Ve, попадая в такое пространственно-периодическое поле, будет испытывать на себе воздействие этого поля подобно колебательной системе, на которую воздействуют серией импульсов. Электронный поток «почувствует» только ту пространственную Фурье-компоненту поля, которая находится в синхронизме с его собственной скоростью. Фазовая и групповая скорости гармоник могут иметь не только разную величину, но и разный знак. Если Vгр>0 направление распространения энергии волны и скорости потока Ve будут совпадать, что характерно для лампы бегущей волны. Если Vгр<0, то направления будут противоположны, что характерно для ламп обратной волны.

При синхронизме электронного потока с одной из пространственных гармоник происходит явление группировки, т.е. в потоке появляется переменная компонента конвекционного тока. Естественно, что эта компонента будет возбуждать в электродинамической системе волну, воздействующую на поток. При противоположном направлении скорости электронов (в лампах обратной волны) и направлении распространения энергии волны электронный поток выступает как своеобразный элемент обратной связи. При некоторых значениях тока луча (достаточного для компенсации потерь в системе) (I_0ПУСК), возможно возникновение генерации СВЧ-колебаний.

Лампа обратной волны:

Рисунок 6. Устройство ЛОВ

Электронный поток 3, создаваемый катодом 1, движется слева направо к коллектору 6. Замедляющая система 4 справа нагружена на согласующее сопротивление 5, а слева имеет связь с внешней нагрузкой через элемент связи 2. Флуктуации электронного потока с некоторой частотой  будут нарастать справа налево при выполнении условия для . Изменяя скорость потока за счет изменения ускоряющего напряжения U₀, в таком приборе можно получить изменение генерируемой частоты  в соответствии с дисперсионной зависимостью V_ГР.p используемой ЗС. Диапазон такой электронной настройки (/) промышленных образцов ЛОВ может составлять октаву и более. По этому параметру ЛОВ не имеет аналогов среди генераторов СВЧ. Однако специфика взаимодействия электромагнитной волны и потока такова, что ЛОВ имеют низкий коэффициент полезного действия. Это вызвано тем фактом, что нарастание амплитуды электромагнитной волны происходит справа налево (в соответствии с направлением V_ГР.p), а нарастание переменного конвекционного тока (группировки) слева направо (в соответствии с направлением V_Ф.p).

Лампы бегущей волны:

На рис.4 видно, что при синхронном движении часть электронов тормозится, а часть ускоряется. Таким образом, в точке нулевой фазы происходит группирование электронов. Если поток однороден, то количество ускоренных и тормозящихся частиц будет одинаковым. В этом случае энергетический обмен будет нулевым. Для того, чтобы обеспечить эффективный энергообмен между электронами и полем необходимо выполнение условия . В таком случае электронная группа будет смещаться в сторону тормозящего поля, в результате чего энергия электронов будет уменьшаться, а энергия СВЧ поля, соответственно, увеличиваться.

Скоростная модуляция в замедляющей системе, сопротивление связи:

Как известно, поле и поток электронов будут взаимодействовать эффективно при условии близости скоростей потока и фазовой скорости волны; при этом каждый электрон «видит» определенную фазу волны, что позволяет осуществляться скоростной модуляции. Если конкретизировать последние утверждения применительно к ЗС типа ЦСР, то можно сказать, что эффективная скоростная модуляция возможна тогда, когда при переходе из одного резонатора в другой электрон встречает поле в той же фазе, что и в предыдущем резонаторе. Некоторые замедляющие системы можно представить в виде цепочки связанных резонаторов.

Для p-й пространственной гармоники величина сопротивления связи характеризует связь между продольной компонентой поля E_Zmp в месте расположения потока и мощностью электромагнитной волны в ЗС:

Сопротивление связи характеризует интенсивность продольной составляющей поля волны. Чем больше R_c, тем больше, при данной переносимой мощности, продольная составляющая поля волны.

Из приведенного соотношения видно, что для получения ЛОВ с хорошими энергетическими параметрами необходимо подбирать системы с высоким сопротивлением связи.