Микроволновые приборы и устройства

131

начальной скорости v0 , а с другой — рост напряженности тормозящего поля UΣ. Эти причины противоположным образом влия-

ют на θ0 .

Конвекционный ток в отражательном клистроне I2 (ωt2 )

находится аналогично тому, как это делалось в пролетном клистроне (раздел 5.3), причем выражение (5.10) и формы токов (рис. 5.4) совпадают.

Импульсы конвекционного тока, проходящего через зазор резонатора, в соответствии с (5.18) содержат постоянную составляющую, первую и высшие гармоники. Постоянная составляющая тока и высшие гармоники в ОК хотя и создают наведенный ток, но не дают падения напряжения на резонаторе. Величина первой гармоники конвекционного тока равна 2I0KC J1 (X ). Из

ПВД (рис. 5.23) следует, что центральный электрон сгустка запаздывает относительно максимума тормозящего напряжения в зазоре (5.37) на угол θ0 (5.39), где n — номер зоны генерации

(целое число).

Рис. 5.24 — Колебательная характеристика и ее средняя крутизна в ОК

Поэтому комплексная амплитуда первой гармоники конвекционного тока записывается в виде I&1 = 2I0KC J1 (X )ei(ωt −θ0 ) , а

наведенный ток

132

Зависимость модуля наведенного тока относительно i0 от амплитуды колебаний (колебательная характеристика) приведена на рис. 5.24, а, крутизна колебательной характеристики I&1 / X в

зависимости от X — на рис. 5.24, б.

Комплексная электронная проводимость позволяет рас-

считать параметры ОК. Используя выражения (4.1), (5.41) и (5.37), получим проводимость вида

Электронные активная и реактивная проводимости ОК зависят от параметра группировки Х, т.е. от амплитуды переменного напряжения на зазоре U1, изменяются монотонно (рис. 5.24, б), что соответствует режиму мягкого самовозбуждения.

Амплитудное условие самовозбуждения клистрона пред-

полагает выполнение неравенств Gýë +Gï ≤ 0, Gï ≤ −Gýë . Отри-

цательное значение электронной проводимости из (5.46) будет максимальным при sin (θT + θç )= −1, т.е. при углах пролета

133

θç + θ0 = 2π(n+ 0,75), тогда амплитудное условие самовозбуждения в центре зоны принимает вид

Преобразуем выражение (5.45а) для графического отображения. Для большинства клистронов во всех зонах, кроме n = 0;1;2, углы θT >> θÇ , поэтому пренебрегаем θÇ и, положив

Графическое решение уравнения самовозбуждения (5.47а) ОК представлено на рисунке 5.25. Точки а, б, в, г, показанные на рисунке, соответствуют краям зон генерации. Видно, что ширина зон генерации между точками нулевой мощности зависит не только от постоянных напряжений и тока пучка, но и от проводимости нагрузки.

Рис. 5.25 — Графическое решение уравнения самовозбуждения отражательного клистрона

Условием начала генерации является пересечение горизонтальной прямой, соответствующей правой части уравнения (5.47а), с «развертывающейся» синусоидой, определяющей левую

часть того же уравнения. Чем больше Gí' , тем выше проходит го-

134

ризонтальная прямая и тем более узкими (по величине θ0 и соот-

ветственно по напряжению на отражателе) являются зоны генерации.

Пусковой ток ОК для режима мягкого самовозбуждения определяется из соотношения (5.46) при F(x) → 1 и для центра зон генерации

где θT + θç − 2θç = 2π(n+ 0,75)− 2θ; KC KC3 .

Величина пускового тока ОК для разных зон генерации рав-

на 10÷50 мА.

Электронная мощность и электронный КПД отражатель-

ного клистрона определяются из величины Ðýë = − 12 U12Gýë , где

знак минус соответствует отданной мощности. Подставим (5.45а) в Рэл и заменим U1 через Х, тогда

Функция ХJ1(Х) достигает max при Х = 2,41 и равна 1,25. Max ηýë max для зон с разными номерами n можно определить из

135

Следует иметь в виду, что теория построена для режима малых амплитуд, U1<<U0. Проверим, для каких зон выполняется это условие при Х = 2,41.

для чего положим коэффициент взаимодействия М = 1 (обычно меньше) и, задавая номера n, получим, что данная теория может быть применима только при n > 6.

Выходная мощность ОК (Рн) определяется из закона сохранения мощностей Pн = Pэл − Pпот и зависит от режима питания

иразмера элемента связи, и положения его в резонаторе. Проведение оптимизации выражения Рн [23] по параметру группировки

изатем по углу пролета θ0 позволяет сделать вывод, что в одной

из зон генерации параметры прибора имеют максимальные значения Pн мax и ηмах, равные

Вывод. В работе ОК можно выделить два режима:

136

а) максимальной выходной мощности в каждой зоне при

Х = 2,41;

б) максимального КПД в одной зоне с номером (5.53) и при

Х = 1,84.

Характеристики ОК

Зональные кривые — это зависимости мощности и частоты от напряжения на отражателе при заданном постоянном ускоряющем напряжении (рис. 5.26). Величина изменения угла пролета от оптимального, когда электроны возвращаются в максимально тормозящее поле резонатора, к краям зоны генерации (в любой зоне) равна ±0,89 радиан [2]. Разность напряжений на отражателе на краях зоны генерации определяется выражением

водит к изменениям угла пролета θ0 , но практически не используется при получении зональных кривых.

Рис. 5.26 — Зональные кривые в ОК

Электронная настройка — зависимость частоты в зоне генерации от напряжения на отражателе при постоянном ускоряющем напряжении U0 (рис. 5.26). Частота генерации ОК может быть определена из (4.15) подстановкой (5.45, а, б)

Видно из рис. 5.26 и (5.55а), что вблизи центров зон генерации изменение частоты происходит по линейному закону.

Параметрами электронной настройки являются: крутизна электронной настройки

диапазон частот электронной настройки — разность час-

тот между точками 0,5Рмах мощности в зоне генерации определяется

138

Рис. 5.27 — Регулировочные характеристики ОК

Регулировочные кривые — зависимости на плоскости (UR , U0 ) постоянной выходной мощности (рис. 5.27) использу-

ются при настройке режима работы ОК. Их строят по (5.49), задаваясь величинами UR , U0 , номером зоны генерации, поддер-

живая другие параметры постоянными.

139

Глава 6. ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ И ЛАМПЫ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ — ТИПА О

Лампы бегущей волны и лампы обратной волны — типа О (ЛБВО и ЛОВО) относятся к устройствам с распределенным взаимодействием электромагнитного поля волны и электронного потока. Находят широкое применение в системах многоканальной радиорелейной связи, в космических системах, в радиолокационных устройствах в качестве широкополосных усилителей, ограничителей мощности, фазовращателей, умножителей частоты, генераторов с широкой полосой частот. Первые сведения о создании ЛБВО относятся к 1946 г., ЛОВО — 1956 г.

6.1 Схема устройства и принцип действия ЛБВО

Схема устройства ЛБВО показана на рис. 6.1.

Кл

ФЭ

Рис. 6.1 — Схема устройства ЛБВО

Электронная пушка включает катод, управляющий электрод (ФЭ) с напряжением UФ и анод (или несколько анодов в малошумящих лампах), на который подается относительно катода ускоряющее напряжение. Поток электронов движется к коллектору (Кл) вдоль оси спиральной замедляющей системы (на рисунке СЗС). Для фокусировки луча используется соленоид (С), распо-

140

ложенный на каркасе, или другой способ фокусировки (см. гл. 3). Лампа помещается в стеклянную колбу, которая размещается внутри этого соленоида. Внутри колбы лампы расположены локальный поглотитель (ЛП) и коллектор (Кл).

На управляющий электрод подается напряжение порядка нескольких десятков вольт. На первом аноде положительное напряжение порядка нескольких сотен вольт. Изменением этих напряжений регулируют силу тока.

На второй анод и ЗС подается ускоряющее напряжение U0 .

Регулировкой этого напряжения обеспечивают оптимальную для работы ЛБВО скорость движения электронов в пространстве ЗС. На коллектор подается напряжение, равное или меньшее (в режиме рекуперации) напряжения ЗС. Геометрия ЗС выбирается такой, чтобы обеспечить необходимое замедление и небольшую дисперсию, чтобы усиление происходило в широкой полосе частот при неизменном ускоряющем напряжении.

СВЧ-колебания, подлежащие усилению, поступают на вход лампы и далее распространяются вдоль спиральной замедляющей системы. По мере движения электронов внутри ЗС в поле бегущей волны они непрерывно взаимодействуют с этой волной: забирают у СВЧ-поля энергию, изменяют скорость, группируются в тормозящем поле электромагнитной волны, отдают часть своей кинетической энергии и этим усиливают волну. Выходная мощность снимается с конца спирали.

Электромагнитная волна создает в спирали и вне ее электрическое и магнитное поля. Действие переменного магнитного поля волны на поток очень слабое, и его не учитывают. Поэтому при рассмотрении взаимодействия волны и потока электронов будет учитываться только электрическое поле. Электрическое поле внутри спирали имеет три составляющие: осевую Ez , ради-

альную Er , тангенциальную Eϕ . Составляющие поля Eϕ и Er на

оси равны 0, вблизи оси хотя и не равны нулю, но малы и их можно не учитывать в линейном приближении. Электроны, влетая в спираль, имеют скорость, направленную вдоль оси спирали, поэтому только осевая составляющая поля может изменить кинетическую энергию электронов и способствовать превращению