книги из ГПНТБ / Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы Учеб.пособие для радиотехн.вузов и фак

рости волны Ьф. Каждый из этих случаев будет отличаться ха­ рактером взаимодействия поля бегущей волны с потоком элек­ тронов.

Если бы электрическое поле волны не изменяло движения электронов, то при Уо=Ъф в месте нахождения каждого из электронов электрическое поле было бы неизменным, так как электроны и волна двигались бы с одинаковой скоростью. Удобно поэтому рассматривать процесс в движущейся вместе с волной системе координат, в которой бегущая волна напря­ жённости поля неподвижна, а движение электронов совершает­ ся относительно волны. В этой системе по оси ординат будем откладывать текущее время t, а по оси абсцисс г' — расстоя­ ние вдоль волны, тогда координата г' будет показывать поло­ жение электронов относительно волны в различные моменты времени. В зависимости от соотношения скоростей электронов и волны электронный поток будет отставать от волны или опе­ режать её. На рис. 17.3 в системе координат, движущейся вме­ сте с волной, пунктирными линиями изображено движение электронов в том случае, если бы на них не воздействовало поле волны.

В действительности же поле волны будет изменять движе­ ние электронов. В области положительных значений поля элек­ троны будут ускоряться, обгоняя волну, а в области отрица­ тельных значений — тормозиться, отставая от волны. В случае v0 = V0 , как это показано на рис. 17.3а сплошными линиями, электроны под воздействием поля волны будут смещаться в область нулевого поля, где оно изменяется из ускоряющего на тормозящее. Таким образом, первоначально однородный элек­ тронный поток под воздействием поля бегущей волны превра­ щается в пульсирующий поток, т. е. происходит группирование электронов. Однако при равенстве скоростей электронов и фа­ зовой скорости волны, несмотря на группирование электронов, не происходит передачи энергии от электронного потока элек­ тромагнитному полю, так как энергия, отдаваемая полю замед­ ленными электронами, равна энергии, отбираемой от поля уско­ ренными электронами, и группа электронов, как это видно из рис. 17.3а, образуется в области нулевого поля.

В случае, когда скорость электронов v0 меньше скорости волны Оф, электронный поток будет отставать от волны (рис. 17.36). Под воздействием положительного поля электроны ускоряются, уменьшая своё отставание от волны, и находятся в области положительного поля более длительное время, чем замедленные электроны в области тормозящего поля. Наоборот, замедленные тормозящим полем электроны увеличивают своё отставание от волны и в значительной части переходят в об­ ласть положительного поля, где начинают ускоряться. В резуль­ тате отставания электронов от волны вследствие различия по­ стоянной скорости электронов и волны электроны группируются

45Л

в области положительного поля, и при этом большее число электронов ускоряется, чем замедляется. Следовательно, в этом случае электронный поток отбирает энергию от поля, и бегу­ щая волна по мере движения вдоль замедляющей системы за­ тухает.

Наконец, в случае, когда скорость электронов v0 больше фазовой скорости волны электроны из-за различия скоро­ стей будут иметь тенденцию обгонять волну (рис. 17.3в). Одна­ ко под действием волны электроны в области положительного поля движутся более быстро и перемещаются в область тормо­ зящего поля, где их движение замедляется, а электроны в об­ ласти отрицательного поля, тормозясь, замедляют своё движе­ ние и находятся длительное время под воздействием тормозя­ щего поля. При движении волны большее число электронов вхо­ дит в замедляющее поле, чем выходит из него, поэтому в области тормозящего поля происходит концентрация электронов, а в области ускоряющего поля — разрежение их. В этом случае большее число электронов, замедляясь, отдаёт энергию полю, чем отбирает от него. Вследствие передачи энергии от электрон­ ного потока полю бегущей волны её амплитуда будет возрастать по мере распространения вдоль замедляющей системы, созда­ вая усиление сигнала, подводимого ко входу лампы. Элементар­ ная теория лбв, рассматривающая случай малых сигналов, по­ казывает, что амплитуда бегущей волны, когда скорость элект­ ронов при входе в замедляющую систему больше фазовой ско­ рости волны, будет возрастать по экспоненциальному закону

Е — Е0еГг ,

где Г — положительная величина, называемая постоянной рас­ пространения, Ео ■— амплитуда поля, возбуждаемая от внешнего источника в начале замедляющей системы.

Для усиления колебаний в лбв используются режимы, при которых скорость электронного потока несколько больше фазо­ вой скорости волны.

Приведённое выше качественное объяснение принципа дей­ ствия лбв подтверждается при точном анализе процессов, кото­ рый даётся нелинейной теорией лбв с учётом дополнительных факторов. На рис. 17.4 в системе координат, движущейся вместе с волной, изображены графики движения 12 электронов, посту­ пающих в замедляющую систему через одинаковые промежутки

времени в течение одцого периода, для отношения — =1,26.

иФ

Графики движения построены по результатам численных расчё­ тов на электронной счётной машине по уравнениям нелинейной теории лбв. Пунктиром на этом рисунке изображены графики движения электронов, поступающих в лампу в предшествующий и следующий периоды. По оси абсцисс отложено смещение

452

электронов относительно бегущей волны в угловой мере — г,

%>Ф

а по оси ординат величина, пропорциональная углу пролета

электронов вдоль замедляющей системы Ф= С ш— (параметр

"о

С=0,1). Тонкие вертикальные прямые обозначают границы меж­ ду ускоряющим и замедляющим полями. Внизу на рисунке изоб­ ражена волна напряжённости поля. Сгущение графиков движе­ ния электронов указывает на увеличение плотности объёмного заряда луча и образование электронной группы. Из рис. 17.4

Р и с . 17.4

видно, что первоначально у входа замедляющей системы (Ф =0) электроны равномерно распределены в области ускоряющего и замедляющего полей. Вследствие воздействия высокочастотного поля ускоренные электроны в большей мере перемещаются в область тормозящего поля, чем замедленные электроны в об­ ласть ускоряющего поля. В области тормозящего поля создаётся центр сгущения электронов, и большее число электронов отдаёт энергию полю, чем отбирает от него. С увеличением угла Ф сгущение электронов увеличивается, а само сгущение, отставая

453

от волны, приближается к области ускоряющего поля. Резкое из­ менение'графиков движения при больших Ф указывает на увели­ чение амплитуды поля бегущей волны. В точке, где центр сгустка проходит через значение нулевого поля бегущей волны, отдавае­ мая электронным потоком мощность и амплитуда волны будут максимальны (на рис. 17.4 это соответствует отмеченной стрел­

шаются.

Таким образом, принцип действия лампы бегущей волны заключается в том, что бегущая волна напряжённости электри­ ческого поля, распространяющаяся вдоль замедляющей системы со скоростью, немного меньшей, чем скорость электронов, вызы­ вает группирование электронов, усиливающееся по длине лам пы. Сгруппированный электронный поток, в свою очередь, уве­ личивает амплитуду бегущей волны, отдавая ей часть своей кинетической энергии. Несмотря на продолжительное взаимо­ действие электронного потока с высокочастотным полем, коэф­ фициент полезного действия лампы невелик (порядка 10^- 20%). Это объясняется тем, что, теряя часть своей кинетической энер­ гии, электронный поток замедляется и постепенно выходит из взаимодействия с бегущей волной.

Как показывает теория, в замедляющей системе наряду с на­ растающей волной, распространяющейся в прямом направле­ нии, будут существовать ещё три волны: две из них распростра­ няются без усиления в направлении движения электронного потока, а одна — в обратном направлении. Волна, распростра­ няющаяся в обратном направлении, существует даже при иде­ ально согласованном переходе от замедляющей системы к ли­ нии передачи на выходе лампы. Однако при недостаточном со­ гласовании амплитуда этой волны будет увеличиваться. Сущест­ вование волны, распространяющейся в направлении, противопо­ ложном движению электронного потока при большом усилении, может привести к самовозбуждению лампы или к увеличению усиления на одних частотах и уменьшению на других, что ухуд­ шает широкополосность лампы. Поэтому для устранения само­ возбуждения и увеличения широкополосности в замедляющую систему вводят затухание, которое уменьшает амплитуду вол­ ны, распространяющейся в обратном направлении. Введение затухания в виде сосредоточенного поглотителя или в виде поглощающего покрытия замедляющей системы, естественно, бу­ дет уменьшать амплитуду нарастающей волны, а следовательно, и коэффициент усиления. Однако введение затухания позволяет использовать лбв при больших токах луча, вследствие чего по­ тери из-за затухания с избытком компенсируются увеличением усиления.

454

§17.3. Конструкции и характеристики ламп бегущей волны

спродольным магнитным полем

Лампы бегущей волны в конструктивном отношении пред­ ставляют собой длинный стеклянный или металлический бал­ лон, внутри которого находятся основные её элементы — элект­ ронная пушка, замедляющая система, коллектор и частично или полностью переходы от замедляющей системы к линии пере­ дачи. Магнитная фокусирующая система составляет внешнюю часть прибора.

Электронные пушки лбв, за исключением некоторых специ­ альных типов ламп, имеющих низкий уровень шумов, не отли­ чаются по своей конструкции от электронных пушек других при­ боров, использующих длинный электронный луч.

Существует несколько способов фокусировки длинного элект­ ронного луча, проходящего вдоль замедляющей системы. Наи­ более часто применяется фокусировка луча при помощи одно­ родного магнитного поля, создаваемого соленоидом. Однако недостатком этого способа фокусировки являются большие раз­ меры и вес фокусирующей системы, необходимость дополни­ тельной затраты мощности на питание соленоидов? а в некото­ рых случаях и необходимость воздушного или водяного охлаж­ дения их. Иногда применяются постоянные'магниты, создающие однородное поле для фокусировки луча, однако размеры и вес их также велики.

Для уменьшения размеров и веса фокусирующих систем были предложены способы фокусировки длинных электронных пучков с помощью периодических магнитных полей вдоль оси луча. Периодические постоянные магниты весят много меньше, чем соленоид или постоянные магниты, создающие однородное поле.

Постоянные магниты в виде колец из высококоэрцитивной магнитной керамики (ферроксдюра) намагничены в осевом на­ правлении и обращены друг к другу одноимёнными полюсами, как изображено на рис. 17.5. Между ними находятся прокладки с большой магнитной проницаемостью. В результате на оси лампы создаётся периодическое изменение магнитного поля, которое показано на нижней части рисунка. Это периодическое магнитное поле действует на электронный луч как последова­ тельность коротких фокусирующих магнитных линз, поэтому электронный луч, проходя вдоль такой системы, периодически изменяет свой диаметр около некоторого среднего значения. Лбв с таким периодическим постоянным магнитом имеет при­ мерно в 10 раз меньший вес и значительно меньшие габариты.

Дальнейшее уменьшение размеров и веса фокусирующих систем даёт использование электростатических методов фокуси­ ровки электронного луча, однако на этом пути встречается ряд трудностей, связанных с использованием одних и тех же эле-

455

ментов в качестве замедляющих и фокусирующих систем. Эф­ фективными методами фокусировки являются использование многозаходных спиралей и метод центробежной электростати­ ческой фокусировки1).

В качестве замедляющей системы лбв наиболее широкое применение нашли спирали. Они обладают большой полосой пропускаемых частот и просты в конструкции. Для жёсткости спираль помещается между кварцевыми или керамическими стержнями, как это показано на рис. 17.6, или непосредственно

в стеклянной трубке, являющейся вакуумным баллоном лампы. Спираль как замедляющая сис­ тема может работать при относи­ тельно небольших выходных мощностях. В мощных лбв ис­ пользуются замедляющие систе­ мы в виде периодически нагру­ женных волноводов, представ­ ляющих собой широкополосные фильтры сверхвысоких частот.

Эти системы могут рассеивать большое количество тепла, если металл охлаждается, и из-за больших размеров и их жёсткости могут изготовляться посекционно. На рис. 17.7 изображено два типа замедляющих систем. Их можно рассматривать как линей-

■) 3. С. Ч е р н о в . Системы с центробежно-электростатической фокуси­ ровкой электронного потока, «Радиотехника и электроника», 1956, т. 1, № 11.

456

ную цепочку связанных электромагнитных резонаторов. Связь между резонаторами в системе, изображённой на рис. 17.7а, осуществляется при помощи петель, а в замедляющей системе, показанной на рис. 17.76 — через щели. В центре торцовых дис­ ков резонаторов сделаны отверстия для пропускания электрон­ ного потока. В таких замедляющих системах электронный поток

—

взаимодействует с осевым электрическим полем, создаваемым между торцовыми дисками резонаторов. В отличие от спирали замедляющие системы в виде цепочки резонаторов обладают сравнительно узкой полосой пропускания, которая имеет поря­

док 20%.

Для лбв миллиметрового диапазона волн требуется замед­ ляющая система весьма малых, но точно выдержанных разме­ ров. Наряду со спиралями в лбв миллиметрового диапазона применяются системы в виде П-образ- ного волновода с попереч­ ными щелями в широкой стенке (рис. 17.8)- Лен­ точный электронный по­ ток проходит частично над щелями снаружи вол­ новода, а частично меж­ ду щелями и П-образным

выступом внутри волновода, взаимодействуя с полем щелей. Следует отметить, что широкая полоса усиливаемых частот определяется полосой пропускания замедляющей системы и переходов от линии передачи на входе к замедляющей системе

и от замедляющей системы к линии передачи на выходе.

457

При плохом согласовании замедляющей системы лбв с внеш­ ними цепями и достаточно большом усилении лампа способна возбуждаться. Возбуждение может существовать не только на частоте сигнала, но и на других частотах, находящихся в по­ лосе пропускания замедляющей системы. Для устранения воз­ буждения в замедляющую систему вводится дополнительное за­ тухание. Это затухание частично уменьшает усиление полезного сигнала, распространяющегося в прямом направлении, но зато существенно снижает более слабый отражённый сигнал. Прак­ тически подобное ослабление осуществляется путём покрытия некоторых частей опоры, поддерживающей спираль, плохо про­ водящей плёнкой. Вносимое ею сопротивление может быть рас­ пределено по всей длине или сосредоточено в виде небольших секций. В некоторых лампах роль сосредоточенного поглотителя играет отрезок замедляющей линии с большим затуханием.

Для устранения возбуждения лбв предложен также другой способ, основанный на свойстве одностороннего ослабления электромагнитных волн, присущем ферритам — керамическим ферромагнитным материалам. Феррит в виде спирали окружает замедляющую спираль извне баллона лбв (рис. 17.9). Осевое магнитное поле, фокусирующее

ЭЛ

Р и с . 17.9 Р и с . 17.10

намагничивает феррит, который создаёт большое затухание для волн, распространяющихся в направлении, обратном движению электронного потока. На волну, распространяющуюся в прямом

•направлении, феррит практически не влияет из-за выбора на­ правления внешнего магнитного поля. Введение ферритов позво­ ляет полнее использовать усилительные возможности лбв, од­ нако несколько уменьшает полосу усиливаемых частот.

Коллекторы маломощных ламп бегущей волны представляют собой полые цилиндры, находящиеся внутри баллона лампы и охлаждаемые путём лучеиспускания, как это показано на ■рис. 17.10. В лбв стеклянной конструкции с выходной мощностью в несколько ватт и более применяются металлические коллекто­ ры, привариваемые к концу стеклянного баллона и охлаждае­ мые путём принудительного обдува. В лбв металлической конст­ рукции, предназначенных на большие мощности, применяется водяное охлаждение коллектора и корпуса лампы.

458

Важным элементом конструкции лбв являются переходные устройства от линии передачи на входе лампы к замедляющей системе и от замедляющей системы к линии передачи на вы­ ходе.. Сложность создания переходных устройств заключается

$

NWW4 /ч.\\\\^1 ±-Г

^ЧЧЧ^ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ^\ЧЧЧЧ'

Ри с . 17.1

итом, что их полоса пропускания должна быть не меньше ра­ бочей полосы частот замедляющей системы, что в случае замед­ ляющей системы в виде спирали вследствие её большой полосы

частот представляет большие трудности. Переходные устройства лбв можно разделить на две группы: переходы от коаксиальной линии к спирали (коаксиально-спиральный переход) и переход от волновода к спирали (волноводно-спиральный переход).

В коаксиально-спиральных переходах внешняя оболочка коаксиальной линии соединяется с экраном, окружающим лам­ пу, а внутренний проводник коаксиальной линии соединяется со спиралью ‘ через трансформирующее устройство, согласующее волновое сопротивление линии с входным сопротивлением спи­

спирали. На рис. 17.11 изображён переход от коаксиальной ли­ нии к спирали с ёмкостной связью. Центральный проводник

коаксиальной линии присоединяется к кольцу К, между кольцом и спиралью С существует ёмкостная связь. Согласование в ши­ роком диапазоне частот обеспечивается выбором положения закорачивающего поршня Л относительно спирали и кольца ..и размерами кольца. Широкую полосу имеет переход типа «свя­ занных» спиралей, представленный на рис. 17.12. Внутренний

459