Приборы и устройства СВЧ, КВЧ и ГВЧ диапазонов

141

получим

Gэл = G0 F ( X )sin (θT + θ3 ) , Bэл = G0 F ( X ) cos (θT + θ3 ) . (5.49)

Электронные активная и реактивная проводимости ОК зависят от параметра группировки Х (точнее от F(X)), которая плавно уменьшается от 1 до нуля, при изменении 0<Х<3,83 (рис. 5.24, б). Таким образом, амплитуда переменного напряжения на зазоре U1, изменяется монотонно, что соответствует режиму мягкого самовозбуждения.

Амплитудное условие самовозбуждения клистрона пред-

полагает выполнение неравенств Gэл + Gп ≤ 0, Gп ≤ −Gэл . Чтобы

активная электронная проводимость имела отрицательное и максимальное значение, необходимо в (5.49) потребовать выполнение равенства sin (θT + θз ) = −1. Это выполняется автоматически

при углах пролета θз + θ0 = 2π (n + 0,75) . Тогда амплитудное условие самовозбуждения в центре зоны принимает вид

142

Графическое решение уравнения самовозбуждения (5.50а) 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 (5.50а), с «развертывающейся» синусоидой, определяющей левую

часть того же уравнения. Чем больше Gн' , тем выше проходит горизонтальная 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 (5.50) при F(x) → 1 и для центра зон генерации

143

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

Величина пускового тока ОК для разных зон генерации лежит в пределах 10÷50 мА.

Электронная мощность и электронный КПД отражатель-

знак минус соответствует отданной мощности. Подставим (5.48а) в Рэл и заменим U1 через Х, тогда

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

145

(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

и приводит 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

147

ются при настройке режима работы ОК. Их строят по (5.52), задаваясь величиной выходной мощности, номером зоны генерации, поддерживая другие параметры постоянными величинами, изменяя U R , находим соответствующую величину U0 ., или изме-

няя U0 , находим соответствующую величину U R .

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 усилительной ЛБВО показана на рис. 6.1.

Кл

ФЭ

Рис. 6.1 — Схема устройства ЛБВО

148

Электронная пушка включает катод, управляющий электрод (ФЭ) с напряжением UФ и анод (или несколько анодов в малошумящих лампах). Поток электронов движется к коллектору (Кл) вдоль оси спиральной замедляющей системы (на рисунке СЗС). Для фокусировки луча используется соленоид (С), расположенный на каркасе, или другой способ фокусировки (см. гл. 3). Лампа помещается внутри этого соленоида. На СЗС расположен локальный поглотитель (ЛП).

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 анод и ЗС подается ускоряющее напряжение U0 . Регули-

ровкой 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. Размеры ЗС выбираются так, чтобы обеспечить необходимое замедление и небольшую дисперсию, чтобы усиление происходило в широкой полосе частот при неизменном ускоряющем напряжении.

Колебания, подлежащие усилению, поступают на вход лампы и далее распространяются вдоль спиральной замедляющей системы. Электроны, двигаясь в поле бегущей волны ЗС, непрерывно взаимодействуют с электромагнитным полем волны. При этом изменяется их скорость, в соответствии с величиной поля. При определенном соотношении скоростей волны и электронов, последние группируются, группа может оказаться в тормозящем поле электромагнитной волны. Тогда электроны отдают часть своей кинетической энергии и 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-

149

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 кинетической энергии электронов в электромагнитную энергию волны. Осевая составляющая Еz электрического поле волны имеет тормозящий и ускоряющий движение электронов полупериоды (рис. 6.2). Вектор Е направлен от Å заряда к Ө.

Рассмотрим механизм взаимодействия электронов с бегущей волной.

Пусть по спирали движется бегущая волна со скоростью υф . В тех участках спирали, где мгновенное направление поля Ez совпадает с направлением скорости электронов υ0 , поле для электронов тормозящее, а там, где направление Ez противоположно направлению υ0 , поле ускоряет электроны (рис. 6.2).

Рис. 6.2 — Тормозящее и ускоряющее электрическое поле в спирали

Если поле волны уменьшает скорость электронов, то энергия волны будет увеличиваться. Если электроны вводятся в участки волны, увеличивающие скорость, то энергия их возрастает, а волны — уменьшается. Обмен энергиями отсутствует, если электроны попали в участки, где в данный момент нет электронного поля.

Для работы ЛБВ нужно сосредоточить возможно большее количество электронов в тормозящих участках поля и меньшее — в ускоряющих. Электронная пушка посылает равномерный поток электронов. Поэтому в тормозящих и ускоряющих участках в начале ЗС оказывается одинаковое количество электронов. Благо-

150

даря задаваемой разнице в скоростях волны и потока происходит группирование электронов в тормозящем поле. Поясним это.

Построим графики движения электронов относительно некоторой точки z0, движущейся по оси спирали со скоростью υф

(рис. 6.3).

Рис. 6.3 — Графики смещения электронов относительно волны при разных соотношениях скоростей

Предположим, что электроны, не взаимодействуют с волной и перемещаются вдоль оси с начальной скоростью υ0 . Тогда в за-

висимости от отношения υ0 υф графики движения электронов изображаются в виде прямых линий. Если υ0 = υф , электрон в любой момент времени t находится против точки z0 (график 1). Если υ0 < υф , то с течением времени электрон будет отставать от наблюдателя, движущегося со скоростью υф (график 2). При υ0 > υф электрон постепенно опережает точку z0 (график 3).

На рис. 6.4 изображены графики движения электронов, взаимодействующих с бегущей волной. Период колебаний разбит на восемь промежутков. На этих графиках выбрано несколько точек наблюдения, соответствующих разным моментам прихода электронов к началу спирали. Так, например, точка z2 на рис. 6.4,

а соответствует электрону, который влетел в спираль в момент, когда поле было максимально ускоряющим; точка z1 — другому

электрону, попавшему в спираль, когда Ez меньше максимальной

величины. Пунктиром обозначено движение электронов в отсутствии высокочастотного поля. На рис. 6.4, а показаны графики