Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов

Если абсолютная величина фазовой скорости уменьшается с ростом частоты, то дисперсия называется нормальной (рис. 1.17,а, б - кривая 1), в противном случае – аномальной (рис. 1.17,а, б - кривая 2). Помимо этого различают положительную (прямую) и отрицательную (обратную) дисперсии в зависимости от знака VФ. Для прямых гармоник (m>0) дисперсия положительная (Vф, Vг одного направления), а для обратных гармоник (m<0) – дисперсия отрицательная (фазовая и групповая скорости противоположно направлены). В лампах бегущей волны применяются ЗС с положительной дисперсией, в лампах обратной волны – с отрицательной дисперсией.

Графики дисперсионных зависимостей обладают интересными свойствами. Если провести касательные к точкам кривой (А, Б на рис. 1.17,б) до пересечения с осью с/VФ, то в точке пересечения оси ординат в случае фиксированной λi можно найти величину с/Vг. Величина с/Vг в случае кривой 1 положительная (дисперсия положительная), в случае кривой 2 – отрицательная (дисперсия отрицательная).

Таким образом, каждая точка на дисперсионной характеристике несет информацию о величине Vф ,Кз , β , VГ для заданной рабочей частоты, а также информацию о величине и направлении движения скорости энергии волны Vг. Изучение характера дисперсионной зависимости ЗС необходимо для конструирования СВЧ приборов.

Выражение (1.35) используется для построения дисперсионных характеристик ЗС в виде зависимостей КЗm(λ) для разных гармоник p. При этом должна быть известна зависимость φ(λ) или φ(ω), которая определяется геометрией ЗС. Если φ=const, то график зависимости КЗ(λ) будет линейным. Прямые, выходящие из начала системы координат (Кз и λ), являются линиями постоянных φ.

33

сти продольного электрического поля. Для оценки этого взаимодействия вводят параметр ЗС, называемый сопротивлением связи, который для m - ой гармоники определяется выражением:

m

где Р - мощность, передаваемая через поперечное сечение ЗС. Сопротивление связи является функцией поперечных координат. Разные пространственные гармоники имеют разные величины сопротивлений связи. С увеличением номера гармоники m сопротивление связи падает, так как падает величина напряженности поля- Е. На границах полосы пропускания передаваемая мощность равна нулю, а сопротивление связи в этих точках обращается в бесконечность. Поэтому в качестве рабочих пространственных гармоник выбирается обычно нулевая (m=0) или для коротких волн первая (m=1). Сопротивление связи для разных ЗС находится в пределах Rсв=10 – n100 Ом.

Для ввода и вывода энергии требуется ЗС согласовать с передающими линиями. Для этих целей следует применять параметр - волнового сопротивления ЗС, который имеет вид:

Криволинейный интеграл вычисляется между точками на проводящих поверхностях по линии, лежащей в плоскости поперечного сечения системы. Волновое сопротивление определяется поперечными компонентами суммарного

электрического поля Ε , а не полем одной используемой пространственной гар-

моники. Волновое сопротивление ЗС не зависит от номера гармоник, но может значительно отличаться от волновых сопротивлений передающих линий. Для их согласования в приборах СВЧ используются специальные трансформирующие устройства.

1.3.3. Разновидности замедляющих систем

Спиральная замедляющая система (рис 1.20) наиболее используемая в СВЧ приборах как самая широкополосная система. Отношение максимальной и минимальной частот для спирали в большинстве случаев равно двум, т.е. порядка октавы.

Дисперсионные характеристики спирали изображены на рис 1.21.

34

Рис. 1.20. Поле EZ в спиральной замедляющей системе

Коэффициент замедления определяется соотношением

где Ψ - угол намотки, и, очевидно, может регулироваться изменением геометрии α, L. Формула (1.37) соответствует случаю нулевой гармоники. Чем меньше угол намотки спирали Ψ (рис 1.20), т.е. меньше фазовый сдвиг φ, тем более пологой становится дисперсионная характеристика на основной волне, а в области больших длин волн она вообще не имеет отсечки..

Сопротивление связи спирали растет с ростом длины волны. В СВЧ приборах коротковолнового диапазона спиральные ЗС не используются, так как размеры их становятся малыми и трудновыполнимыми.

Рис. 1.21. Дисперсионные характеристики спирали К спиральным ЗС можно от-

нести следующие модификации:

-система типа кольцо – стержень (рис.1.22,а), которая предназначается для применения в мощных ЛБВ;

-система встречно-намотанных спиралей (рис.1.22, б), предназначается для использования в ЛБВ;

-двухзаходная спираль (рис.1.22,в), используется в ЛОВО;

-плоская спираль (меандр) и спираль с прямоугольными витками, успешно используются в усилителях прямой волны М – типа (рис.1.22,г, д).

Для ввода – вывода энергии в ЗС применяются следующие способы: кондуктивный способ или гальванический, при котором провод спирали напрямую соединяется с внутренним проводником наружной коаксиальной линии.

35

Рис. 1.22. Виды спиральных ЗС

Вывод энергии типа связанные спирали [3] показан на рис.1.23. Внутренний проводник коаксиальной линии (1) переходит во внешнюю спираль (2), надеваемую на колбу лампы (4), в которой закреплена спиральная замедляющая система (3). Длина области связи спиралей подбирается кратной числу замедленных полуволн. Для наилучшей передачи энергии фазовые

Рис. 1.23. Вывод энергии на связанных скорости в спиралях должны быть спиралях. равны. Это выполняется подбором диаметров и периодов спиралей: от-

ношение диаметров должно равняться отношению периодов систе-

мы связанных спиралей.

Волноводно – коаксиальный вывод энергии [5] широко используется в коротковолновом диапазоне. Замедляющая система заканчивается полыми цилиндриками, которые являются штыревыми возбудителями электромагнитного поля в прямоугольном волноводе (рис. 1.24).

Рис. 1.24. Волноводнокоаксиальный вывод энергии: 1 – волновод; 2 – цилиндрический штырь, в который переходит спиральная ЗС; 3 – цилиндр; 4 - стеклянный стержень, фиксирующий спираль;5 – поршень; 6 – колба.

36

Система встречно штыревого типа. Система встречных штырей состоит из двух гребенок, вставленных одна в другую (рис. 1.25).При этом между гребенчатыми структурами образуется петляющий волновод, по которому со скоростью света распространяется волна типа -Т. Вдоль оси системы фазовая скорость этой волны замедляется до величины

где l- высота штырей.

При номере гармоники m = -1 фазовая скорость VФ(-1) (1.38) становится максимальной, а гармоника, при условии 2ℓ+L<λ; L<< λ и ℓ< λ/4, становится основной. Так как при этих условиях фазовая скорость равна

Рис. 1.27. Ламельные замедляющие системы со связками: а- с двойными двухсторонними; б- с одинарными двухсторонними; в- бугельная системы с внутренними связками.

37

и имеет знак минус, то это говорит об обратном направлении движения групповой скорости в ЗС типа встречные штыри и о возможности использовании этих ЗС в лампах обратной волны.

Дисперсионная характеристика встречно – штыревой ЗС изображена на рис. 1.26. Разновидностью системы встречно штыревого типа являются [3,5] стержневые или ламельные системы со связками, показанные на рис. 1.27,а, 1.27,б, используемые в магнетронах и ЛОВМ, и бугельная система со связками (рис.1.27,в),

применяемая в амплитронах – усилителях обратной волны типа М.

Замедляющие системы типа цепочка связанных резонаторов (ЦСР) –

состоит из цилиндрических резонаторов, возбуждающихся на колебании вида Е010 (рис.1.28) с разными фазовыми сдвигами φ поля в соседних резонаторах [4]. Система имеет еще название диафрагмированный волновод.

На рис. 1.28 показаны поля для крайних случаев: φ= 0 и φ=π. Связь между резонаторами происходит через центральные отверстия в торцевых стенках, за счет этого создается центральный канал с интенсивным электрическим полем и емкостной связью. При φ= 0 связь максимальная, при φ= π -связь ослабляется, так как силовые линии в соседних резонаторах имеют противоположное направление,

и емкость связи уменьшается, рабочая длина волны λπ уменьшается по отношению к λ0 ( l 0 = 2,62 × R - резонансная длина волны для колебания Е010 в резонаторе

).

Дисперсионная характеристика системы типа цепочка связанных резонаторов приведена на рис. 1.29, из которой следует, что дисперсия довольно крутая,

но при увеличении диаметра отверстий длина λπ укорачивается и характеристика

становится положе.

Для широкополосных приборов СВЧ диаметр отверстия d почти приближается к диаметру цилиндрического волновода, хотя при этом сопротивление связи также уменьшается. Цепочка связанных резонаторов применяется в усилителях прямой волны.

Разновидностью рассмотренной системы является система ЦСР с магнитной связью между резонаторами. Конструктивно кроме центрального отверстия в диафрагме делаются щели в области магнитных силовых линий (рис. 1.30). Щели нарушают радиальную симметрию электромагнитного поля относительно оси ЗС.

38

Чтобы увидеть какие изменения произойдут в дисперсионной характеристике, следует рассмотреть поле в щелях при разных фазовых сдвигах на ячейке ЗС.

Рис. 1.30. Цепочки связанных резонаторов с магнитной связью

При φ= 0 (рис. 1.30, а) линии магнитного поля во всех резонаторах в области щелей направлены в одну сторону, стенка может быть удалена и ничего не изменится. Длина волны λ0 останется такой же, как у одного изолированного резо-

натора на волне типа Е010. ( l0 = 2,62 × R , где R – радиус резонатора).

При сдвиге на периоде системы φ= π магнитные линии в щелях будут противоположно направлены. Возникающие в стенках диафрагмы токи JC, по правилу буравчика имеют одинаковое направление (рис 1.30, б). Так как линии полного тока непрерывны, то в щелях связи возбуждается электрическое поле, создающее ток смещения, равный суммарному току в стенках диафрагмы в пределах щели. Возникновение электрического поля щели и связанного с ним магнитного поля эквивалентно появлению последовательной дополнительной индуктивности, что

уменьшает частоту резонатора со щелью. Длина λπ становится больше λ0 , в ре-

зультате дисперсионная характеристика цепочки связанных резонаторов со щелями связи обладает отрицательной дисперсией (рис. 1.30,в). Изменение размеров щелей и их местоположения в диафрагме приводит к изменению наклона дисперсионной кривой.

Возбуждение ЗС типа цепочки связанных резонаторов осуществляется через отверстие в боковой стенке или с торца волновода (рис 1.31).

Рис. 1.31. Связь волновода с ЗС типа цепочки связанных резонаторов.

Различные способы ввода или вывода энергии СВЧ колебаний [14] приведены на рис.1.32. При разработке вывода энергии ЗС вопросу его широкополосности уделяется особое внимание. Для расширения рабочей полосы частот ис-

39

пользуются плавные или многоступенчатые переходы. В случае плавных переходов изменяется форма или размеры проводников ЗС или передающей линии. Так, например, в плавных переходах со стандартного прямоугольного волновода к системе гребенчатого типа ( в,г) изменяется глубина щелей ЗС, а в системе встречные штыри ( б) – узкий размер волновода изменяется по экспоненте. В переходах от стандартной коаксиальной линии к системе лестничного типа (е) изменяется плавно диаметр и форма проводников линии. Многоступенчатый трансформатор (а) использован в системах встречно-штыревого типа для дециметрового диапазона.

Рис. 1.32. ЗС типа встречные штыри ─коаксиальная линия (а) с использованием двухступенчатого трансформатора сопротивлений; система встречные штыри ─ волновод с плавным изменением узкого размера волновода (б); гребенчатая система с переменной высотой гребней ─ волновод (в,г); лестничная система─ волновод(д); лестничная система ─ коаксиальная линия с плавным изменением размеров диаметров-(е).

Качество согласования проверяется экспериментально, посредством измерения диапазонной зависимости коэффициента стоячей волны, который не должен быть более 1,3.

1.4. Принципы модуляции электронного потока

От управляющего устройства требуется, чтобы в некоторой плоскости, соответствующей выходному устройству, конвекционный ток менялся по закону

iконв = I0 + i(t),

где i(t)-периодическая функция времени, I0-постоянная составляющая конвекционного тока.

Переменная составляющая конвекционного тока i(t) не обязательно должна создаваться в самом управляющем устройстве, поэтому целесообразно применять