книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

К. п. д. преобразования т|е показан на фиг. 6 в зависи­ мости от г)а и г)аг|в. При малых уровнях входного сигнала

имеет место полное преобразование энергии. Однако при большем входном сигнале доля преобразованной энергии быстро убывает, приближаясь к нулю при бесконечно больших величинах Л0. Неполное преобразование СВЧэнергии в энергию постоянного тока при высоком Л0, как показано на фиг. 6, обусловлено наличием медленных

электронов в потоке, которые отдают энергию полю, и значительным разбросом скоростей электронов в потоке. Кривые на фиг. 6 были рассчитаны в предположении ($С— >0 последовательно, в условиях, когда медленная и быстрая волны пространственного заряда имеют близ­ кие скорости. Более высокие к. п. д. преобразования мож­ но ожидать при конечных значениях ($С. К. п. д. преобра­ зования может быть также увеличен за счет изменения (программированного увеличения) фазовой скорости вол­ ны в замедляющей системе для поддержания синхронизма между СВЧ-полем и потоком, когда поток ускоряется15

Ускорение электронного потока энергией СВЧ-волны показано на фиг. 7 для нескольких различных уровней входного сигнала. Поскольку О + 2Си), вели­ чины (1 + 2Си), большие единицы, указывают на уве­ личение скорости, а соответственно величины, меньшие единицы, означают, что электроны замедляются. Ускоре­ ние потока непосредственно коррелирует с А(у), как показано на фиг. 3 и 4‘.

Б. Выпрямители Ж-типа. Один из возможных типов преобразователей СВЧ-колебаний в постоянный ток по­ казан на фиг. 1. Устройство включает замедляющую си­ стему, находящуюся под отрицательным потенциалом от­ носительно катода, и положительный электрод. Можно также получать преобразование СВЧ-колебаний в по­ стоянный ток и в обычном приборе Ж-типа (с отрицатель­ ным электродом), т. е. замедляющая система по отноше­ нию к катоду положительна, а электрод отрицателен. В обоих случаях поступающая в прибор СВЧ-энергия увеличивает потенциальную энергию электронов и, та­ ким образом, направляет электронный поток в преобра­ зователе с отрицательным электродом на этот электрод, а в преобразователе с положительным электродом на за­ медляющую систему. Ожидается, что преобразователь с положительным электродом будет обладать более высо­ ким полным к. п. д. преобразования, поскольку, помимо прочего, обладает более сильной связью волны с электрон-)*

*) В ЛБВ решаются аналогичные задачи, но в направлении уменьшения фазовой скорости волны по мере продвижения к выхо­ ду замедляющей системы. Такие «программированные» замедляю­ щие системы применяются и в приборах УИ-тнпа.— Прим. ред.

где Рс, фс — соответственно амплитуды прямой и обрат­ ной волн в замедляющей ^системе;

Р \ Р2&— соответственно амплитудьГмедленной и бы­ строй циклотронных волн "электронного по­ тока;

<2Ь— амплитуда синхронной волны потока; Рц = 7^ — циклотронная фазовая постоянная;

Рв = —-----фазовая постоянная электронного потока;

“о

Ро = — — фазовая постоянная замедляющей системы;

Ксг Кь — соответственно сопротивление связи и со­ противление потока;

Поскольку нас интересует работа в режиме Компфнера, т. е. в режиме, при котором поступающая СВЧ-энер- гия переходит в энергию электронного потока, представ­ ляет интерес рассмотреть связь между быстрой цикло­ тронной волной (положительное направление распростра­ нения ВЧ-энергии) и прямой волной замедляющей систе­ мы (положительное направление распространения ВЧэнергии). Таким образом, из уравнений (17) и (19) мож­ но получить для — Рц ^ Ро

- Т ^ - +- / (Ре-Рц) Р и -1 ( - Ч п - ) Ро ( ^ ) 1/3 Рс=0 (21)

И

- 1 Г + / А Л - / ( - Ц ^ ) ( - ^ ) 1,а (Ре~ Р « ) *>» ■= 0. (22)

Граничные условия выглядят следующим образом:

Решение уравнений (21) и (22) и подстановка граничных условий (23) позволяют определить длину системы, при

Очень хорошее соответствие с теоретическими прогно­ зами было получено на усилителе со скрещенными полями и*отрицательным электродом, работающем на волне 10 см.

Анализ рабочей полосы частот, приведенный в преды­ дущем разделе для ЛБВ-выпрямителя, полностью при­ меним и к ЛБВМ-выпрямителю.

Уравнения связанных волн (16)—(20) можно распро­ странить на систему со скрещенными полями с положитель­ ным электродом. Для этого запишем параметр связи <р в виде

гдеФ(#) относится к системе с отрицательным электродом, а ф(у) — к системе с положительным электродом. Тогда параметр поля (отношение, поперечной составляющей к продольной) для системы с положительным электродом может быть записан в виде

В уравнениях связанных волн (16)—(20) нужно внести лишь одно изменение: вместо а писать а' Так называе­ мый режим Компфнера может быть определен из связи потока на синхронной волне (отрицательное направление распространения ВЧ-энергии) с прямой волной замедляю­ щей системы (положительное направление распростране­ ния ВЧ-энергии). Тогда соответствующие уравнения свя­ занных волн в пренебрежении влиянием остальных волн, кроме указанных, можно записать так:

В ЛБВМ-выпрямителе с положительным электродом граничные условия следующие:

Рс-= 0 при г = Ь,

(30)

<2* = 0 при 2 = 0.

Решение уравнений (28) и (29) с учетом граничных усло­ вий (30) выглядит следующим образом:

Уравнение (32) отражает условие синхронизма между синхронной волной потока и прямой волной в замедляю­ щей системе. В работе [5] исследовалось взаимодействие в скрещенных полях с положительным электродом по теории как малого, так и большого сигнала, и в частности

переход СВЧ-энергии в энергию электронного потока при большом сигнале (фиг. 8). Как видно, основная часть входной СВЧ-мощности передается потоку. Соответствие с теорией малого сигнала достаточно хорошее, расхожде-

Ф и г. 8. Зависимость ВЧнапряжения от расстояния для ЛБВМ-выпрямителя с положительным электродом в условиях большого сиг­ нала (О = 0,2; 6 = 0;

соц/<0 = 0,5).

Для сравнения сплошноЛ ли­ нией показана кривая для усло­ вий малого сигнала.

ние можно объяснить существованием циклотронных волн, которые не принимались во внимание в рамках теории малого сигнала. Уравнение связанных волн (31) (в’ пре­ небрежении пространственным зарядом) показывает, что минимум СВЧ-напряжения должен наблюдаться при <7 = 2яОМ ^ 1,57 для потока, инжектированного посре­ дине между электродом и замедляющей системой. Это также может рассматриваться как хорошее совпадение,

учитывая, что расчет проведен в пренебрежении цикло­ тронной волной и пространственным зарядом. Другой режим работы приборов со скрещенными полями и по­ ложительным электродом, в котором энергия периоди­ чески перераспределяется между потоком и волной, предполагает связь синхронной волны потока и обратной волны замедляющей системы. В этом случае энергообмеи представляет собой процесс пространственных биений.

III. Экспериментальные результаты

Экспериментальные исследования ЛБВ-выпрямителя были проведены в диапазоне частот 2—4 Ггц с укорочен­ ной ЛБВ со спиральной замедляющей системой и элек­ тронной сеточной пушкой с микропервеансом 1 мка/в Вводы СВЧ-энергии были выполнены в виде связанных спиралей, и в целях упрощения прибора использовался