книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

при работе в режиме низкой выходной частоты.

Таким образом, можно видеть, что преобразование СВЧ-колебаний в переменный ток низкой частоты могло бы привести к более приемлемым напряжениям на выходе без ухудшения характеристик по сравнению с преобразо­ ванием СВЧ-колебаний в постоянный ток. Однако помимо инженерных вопросов, рассмотренных выше, существую­ щие схемы требуют более детальной разработки выходной цепи, а также решения вопросов подключения источников анодного напряжения и СВЧ-мощности.

В заключение отметим, что клистронный преобразо­ ватель потенциально очень эффективен. Это его качество в сочетании со свойством работать на высоком уровне мощности делает это устройство весьма заманчивым для выпрямления больших мощностей. Сведения, необходимые для решения инженерных задач при разработке клистронного преобразователя, хорошо известны из литературы по клистронам и линейным ускорителям, за исключением коллектора, для которого требуются дальнейшие конструк­ торские исследовани я.

О б о з н а ч е н и я

г) — к. п. д. преобразования; 1к — ток пучка, отбираемый 6-электродом;

Ук — напряжение между катодом и 6-электродом; Рвч — общая входная СВЧ-мощность;

а— нормализованное напряжение на ускоряющем зазоре;

Р—=нормализованное выходное напряжение; РСр — средняя мощность;

К^макс — максимальная величина напряжения на 6-м электроде;

/Аимп — максимальная величина импульсного тока, от­ бираемого 6-электродом;

^0 — длительность импульса; Т — период повторения импульсов.

АИсгспуауе ро\уег гесИПсаИоп туйЬ а 1\уо-сауйу к1уз1гоп, Ргос.

1ЕЕЕ Соггезропйепсе, 5 3 , р. 176 (РеЬ. 1965).

3.У и 5. Р., А'ргороБес! к1уз1гоп гес1Шег, 1ЕЕЕ $ушр. Е1ес1гоп. Роигег, С1еаг\уа1ег, Р1опс1а, Мау 1964.

4. Ш еЬ Ь ег 8. Е., 5оше са1си1а1юпз оп 1Ье 1аг^е за^па! епег^у ехсНап^е тесЬашзт т Ппеаг..Ьеат 1иЬез, 1КЕ Тгапз. Е1ес1гоп Ъевмез, ЕО -7, рр. 154—162 (Ли1у 1960).

электронов и увеличении их кинетической энергии. В преобразователях со скрещенными электрическим и магнитным полями высокочастотная энергия идет на уве­ личение потенциальной энергии электронов. Электроны собираются электродом с отрицательным постоянным потенциалом, что сводит к минимуму энергию, теряемую за счет нагревания коллектора. Ниже будет показано, что эти преобразователи могут обладать высокими к. п. д. преобразования, но имеют и ряд недостатков, в частности нуждаются в^фокусирующих магнитах, в подводе потен­ циала к аноду и в подогреве катода. Общий к. п. д. таких систем принципиально ограничен силами пространствен­ ного заряда в пучке и неоднородностью высокочастотных полей, взаимодействующих с потоком, что ведет к значи­ тельному разбросу скоростей электронов в потоке и, та­ ким образом, к необходимости использования секциони­ рованных тормозящих коллекторов. В следующих разде­ лах будут обсуждаться методы увеличения к. п. д.

II. Анализ взаимодействия

На фиг. 1 показаны схематически три типа преобра­ зователей СВЧ-колебаний в постоянный ток. В клистронах и ЛБВ кинетическая энергия, связанная с продольным движением потока, заметно изменяется вдоль пучка. Однако в преобразователе со скрещенными полями с ин­ жектированным электронным потоком кинетическая энер­ гия на выходе имеет то же кажущееся значение, что и на входе системы. Электронный поток вылетает из электрон­

ной пушки (^)пушкп== / 0Уо) и модулируется полем замед­ ляющей системы при подаче входного высокочастотного сигнала. После этого он направляется к электроду, имею­ щему тормозящий постоянный потенциал, определяющий величину выходного напряжения и направление протека­ ния тока. Таким образом, прибор ведет себя как источ­ ник мощности для соответствующей внешней нагрузки. Как обсуждалось выше, желательно, чтобы электроны попадали на отрицательный электрод с относительно низ­ кой скоростью во избежание рассеяния больших мощно­ стей на коллекторном электроде. Далеко не все электро­ ны в потоке будут иметь одинаковые скорости, и, следо­

А. Преобразователи О-типа. Для того чтобы преобра­ зовать СВЧ-колебания в постоянный ток, используя вы­ прямитель, преобразующий кинетическую энергию элек­ тронов, необходимо инжектировать электронный поток со скоростью, меньшей фазовой скорости волны в замед­ ляющей системе. Под действием СВЧ-полей элек­ троны ускоряются и, следовательно, увеличивается их

кинетическая энергия. К. п. д. ЛБВ-выпрямителя, как и ЛБВ-усилителя будет меньше единицы вследствие не­ линейных эффектов, таких, как изменения ВЧ-поля вдоль пучка и разгруппировка под действием сил про­ странственного заряда.

Поведение ЛБВ-усилителя в режиме малого сигнала

вобласти «провала» Компфнера [2] указывает на то, что

вэтой точке имеет место режим работы, при котором энергия СВЧ-поля преобразуется в кинетическую энер­

гию электронов. Следовательно, именно этот режим может быть использован для работы ЛБВ-выпрямителя.

Из анализа методом связанных волн следует, что ус­ ловие Компфнера (полный переход энергии) соответствует полной передаче энергии от прямой волны, распростра­ няющейся в замедляющей системе (положительное направ­ ление распространения ВЧ-энергии), к быстрой волне пространственного заряда, распространяющейся в сгруп­ пированном электронном потоке (положительное направ­ ление распространения энергии). До сих пор работа в ре­ жиме Компфнера рассматривалась как работа в режиме малых амплитуд с низким параметром С, который был введен как параметр усиления. Можно также получить полный переход энергии и при большом С, как показано на фиг. 2.

Данные, представленные на этой фигуре, были вычис­ лены, естественно, для бесконечно малых амплитуд вход­ ного сигнала.

Для определения рабочей полосы частот, в которой происходит удовлетворительная «перекачка» мощности от системы к потоку, полезно рассмотреть уравнения свя­ занных волн для режима Компфнера. Если пренебречь обратной волной в замедляющей системе, то можно за ­ писать уравнения для трех связанных волн, как это сде­ лано для случая взаимодействия О-типа с бегущей волной:

(прямая волна в замедляющей системе),

где Рь, С)ь — амплитуды медленной и быстрой волн потока соответственно; Рс — амплитуда прямой волны в замед-

плазменная фазовая постоянная; В0 — —---- постоянная 11о

распространения замедляющей системы.

Нетрудно показать, что при больших (}С (>0,25) амплитуда Рь медленной волны пространственного заряда пренебрежимо мала и уравнение (3) можно упростить. Тогда связь между быстрой волной пространственного заряда и прямой волной замедляющей системы запишется в виде

и

- Т & - + / - Г - ( У с » + / Р о Р с = 0 . ( 5 )

где ро ^ Р е — рр. Если предположить, что С}ь и Рс из­ меняются как ехр(±ур122), то решением детерминантиого уравнения является’

Синхронизм между быстрой волной пространственного заряда ипрямой волной в замедляющей системе будет существовать при условии

При синхронизме, т. е. при Р0 = Рв — Рр» мощность периодически перераспределяется между двумя волнами, и эту периодичность можно записать так:

Ширину полосы можно определить, исследуя случай несинхронного взаимодействия, т. е. р0 Ф Рс — Рр. Об-

наружено, что широкополосность связи прямо пропор­ циональна |*|, который в свою очередь увеличивается с <?С. Максимальная доля входной мощности, передавае­ мая электронному потоку, составит

II, таким образом, обе величины Р01 , при которых мощ.

ность, связанная с потоком, составляет половину вход­ ной мощности, запишутся в виде

где Эо — Р«г — Рр соответствует случаю синхронизма. Ширина полосы (в пренебрежении дисперсией замедляю­ щей системы) может быть записана следующим образом:

«перекачка» мощности наблюдается в достаточно широкой полосе частот и на практике общая полоса частот ЛБВвыпрямитёля будет, по-видимому, ограничиваться ди­ сперсией замедляющей системы и широкополосностыо согласующих устройств. Экспериментальные данные, от­ носящиеся к ЛБВ-выпрямителю, будут приведены в сле­ дующем разделе. Нелинейные уравнения ЛБВ [31 можно непосредственно использовать для изучения работы ЛБВвыпрямителя в режиме больших сигналов. Условия Компфнера в режиме большого сигнала находятся из решения уравнений для потока и замедляющей системы для та­ ких сочетаний величин А{) и Ь, которые определяют ми­ нимальный уровень ВЧ-сигнала при некоторых значениях

зующий относительную скорость. Для малых величин А0 минимальный уровень ВЧ-сигнала равен нулю, однако при увеличении А0 все меньшая часть энергии СВЧволны преобразуется в кинетическую энергию электро-