Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

Первое слагаемое в этом выражении определяет изменение

фазы волны при прохождении расстояния l, равного длине ЗС, второе слагаемое - изменение фазы за время движения элект­

ронов в ЗС. (Знак «минус» в обозначении ИФ(-l) в формуле (13.24) появляется из-за противоположного направления ско­

ростей vФ и v 0 .) Слагаемое 1t определяет оптимальные условия для передачи энергии от потока полю, когда образовавшийся сгусток электронов не выходит из тормозящего СВЧ-поля.

Первые два члена в выражении для баланса фаз, по сути де­ ла, определяют относительный угол пролета <р0, и при п = О он будет равен 1t, т. е. это условие максимального отбора волной

энергии от электронного потока, когда сгусток электронов на

протяжении всего совместного движения находится в макси~

мально тормозящем поле, усредненном по полупериоду волны.

При п = 1 относительный угол прол_ета равен 3rt, т. е. элект­

роны сгустка в течение двух полупериодов тормозятся и в течение одного - ускоряются или, иначе, при пролете одного

пространственного периода (<р0 = 2rt) усредненлая за период Э!Iер­

гия взаимодействия равна нулю, а в течение полупериода 7t

электроны тормозятся. Для п = 2 относительный угол пролета ра­

вен <р0 = 57t и обмен энергией электронов и волны происходит на

протяжении 21/ 2 периодов волны. В течение двух полных пери­

одов баланс энергии обмена равен нулю. Результатом является

то, что опять на протяжении оставшегося полупериода происхо­

дит преобладающая передача энергии от электронов волне и т. д.

Величину п называют порядком или номером зоны колеба­ ний в ЛОВО. Наибольшая выходная мощность получается в ос­

новной зоне при п = О. Условие баланса фаз можно использовать

для определения частоты генерируемых колебаний в различ­

ных зонах, если известна дисперсионная характеристика обрат­

ной пространственной гармоники. Частота, как следует из уело-·

вия баланса фаз, в выбранной зоне зависит от vе• а следовательно,

иотИ0 , таккакv е= J~И0 • Зависимостиколебательноймощнос­

ти Рк = <р1(И0 ) и частоты m = <р2(И0 ) генерируемых колебаний от

ускоряющего напряжения при I ф. к. = I ф. к. опт = const представле­

ны на рис. 13.21, а и б.

Скорость электронов vе• взаимодействующих с обратной гар­ моникой электромагнитной СВЧ-волны; определяется ускоряю-

Глава 13. Электровакwмные приборы СВЧ с динамическим управлением 393

ro

Рис. 13.21

щимнапряжениемИ0, т. е. ve ~~.Замедляющиесистемыв

ЛОВО обладают сильной дисперсией (зависимостью фазовой ско­ рости электромагнитной волны от частоты). 3а счет флуктуаций плотности электронного потока, вызванных тепловым разбросом

скоростей электронов, которые эмитированы катодом, в замед­

ляющей системе наводится широкий спектр электромагнитных

флуктуаций. Изменяя скорость электронного потока, добивают­

ся оптимальных условий взаимодействия с обратными гармони­

ками разных частот (ve""' vФ(-l)). Увеличение скорости электронов

соответствует взаимодействи:Ю с обратной гармоникой, имеющей

большую фазовую скорость и, соответственно, большую частоту.

Таким образом, увеличение И0 приводит к увеличению частоты генерируемых колебаний, и при снятии зависимости колебатель­ ной мощности от ускоряющего напряжения Рк<И0) происходит одновременное изменение частоты, т. е. Рк = F(ro).

При работе на низких частотах (малые значения И0) длина

замедленной волны А3 большая, и поэтому электронный поток разбивается на относительно малое число сгустков в простран-

стве взаимодействия (по длине спирали укладывается малое

числодлинволн, т. е. отношениеN = f. невелико). Всилуэтого

из-за уменьшения расстояния, на котором сформированный сгусток взаимодействует с волной, ухудшаются условия переда­

ч:И энергии от электронного потока волне, что усугубляется к

тому же возрастанием объемного заряда в сгустках (из-за боль­ шого числа электронов в каждом сгустке). Последнее обсто­ ятельство приводит к увеличению поперечной и продольной разгруппировок сгустков. Поэтому на низких частотах наблю­ дается «завал» характеристики Рк(И0 ).

При больших И0 (большие частоты) уменьшается сопротив­ ление связи электронного потока с полем СВЧ-волны. В этом случае поле :концентрируется в основном ближе :к поверхности

3С, и на границе электронного потока на более высоких часто­

тах существует продольное электрическое СВЧ-поле меньшей

напряженности, что и является причиной уменьшения мощ­

ности.

Рассмотрим баланс мощностей. Получаемая волной от элек­

тронного потока энергия должна быть больше энергии потерь

(затухание в 3С, потери согласования и т. д.), т. е. ее величина

должна быть достаточной для поддержания процесса формиро­ вания электронных сгустков. Расчет генератора на ЛОВО пока­ зывает, что в режиме самовозбуждения ток электронного пучка

должен превышать некоторую величину, называемую пуско­

вым током. Величина пускового тока должна быть разной для возбуждения колебаний различных порядков, так как с увели­

чением п требуются большие величины И0, т. е. большие затра­

ты подводимой от источника постоянного тока энергии прима­

ло изменяемой величине полезной (а в действительности при уменьшении), передаваемой от потока волне. Таким образом,

КПД генератора уменьшается при возрастании п.

Для возбуждения колебаний при п = 1 величина пускового тока должна быть в несколько раз больше, чем при п =О. Обыч­

но в генераторах на лова реализуются режимы для п =о. Для

предотвращения самовозбуждения колебаний высших поряд­

ков длина 3С выбирается равной l = N/...3 •

1. Каковы классификация и области применения пролетных и отражательных клистронов?

2. Устройство, характеристика элементов и принципы работы двухрезонаторных клистронов (ДРК). Объемные резонаторы

и их параметры.

3.Пространственно-временные диаграммы, конвекционные и

наведенные токи в двухрезонаторных пролетных :клист­

ронах.

4.Параметры и характеристики ДРК.

5.Особенности и принципы работы отражательных :клистро­ нов. Зоны генерации. Электронная настройка частоты.

ми для формирования резонаторов. Из-за больших размеров и трудности изоляции анод обычно заземляется, а на катод пода­ ется большой отрицательный потенциал через специальный элемент конструкции, позволяющий изолировать катод. Конст­

рукция магнетрона, как правило, аксиально симметрична.

Движение электронов в пространстве взаимодействия маг­

нетрона происходит в высокочастотных скрещенных постоян­

ных электрических и магнитных полях по сложным траектори­

ям. Структура и свойства СВЧ-полей в пространстве взаимодей­

ствия также весьма сложны, поэтому, прежде чем рассматривать

принцип действия магнетрона, рассмотрим по отдельности дви­

жение электронов в скрещенных постоянных электрическом и

магнитном полях при отсутствии СВЧ-полей, а потом свойства

колебательной системы, т. е. структуру СВЧ-полей в пространст­ ве взаимодейст5ия. Если не учитывать переменные поля, то маг­ нетрон можно рассматривать как вакуумный диод, помещенный

в магнитное поле.

Хотя магнетрон выполнен в виде цилиндрической конструк­

ции (рис. 14.2, а), движение электронов для простоты будем рас­

сматривать для плоской конфигурации (модели) (рис. 14.2, б).

Такое приближение достаточно корректно для магнетронов, у ко­

торых радиусы катода и анода не сильно отличаются.

Сделаем следующие допущения: существует постоянное элект­

рическое поле напряженностью {30 = Ру' имеющее единственную

составляющую, направленную по оси у, и постоянное магнит­

ное поле, направленное вдоль оси z (В0 = Bz, см. рис. 14.2, б); от­ сутствует влияние пространственного (объемного) заряда элект-

к

х

Рис. 14.3

Циклоида - это кривая, которую описывает точка, располо­

женная на ободе круга (например, на рис. 14.3 точка а) при каче­

нии последнего без скольжения по плоскости (на рис. 14.3 начало координат х0 = у0 = О перенесено на катод). В нашем случае радиус

mSo

окружности R = еВо2 ; <р = roцt - угол поворота круга. Скорость пе-

ремещения центра круга vцк = {50/В0• Циклотронная частота rоц оп­

ределяет угловую скорость качения круга и, следовательно, угло­

вую скорость движения электрона по циклоидальной орбите.

Таким образом, электроны, вылетая с катода, будут двигаться в пространстве взаимодействия между катодом и анодом по цик­

лоидальной кривой. Изменяя напряженность {30 электрического

и индукцию В0 магнитного полей, можно изменить радиус цик­

лоиды и, следовательно, параметры траектории движения. При

d

R = 2 (d - расстояние между катодом и анодом, см. рис. 14.3)

электроны будут касаться поверхности анода в вершине цикло­

d

иды; при R > 2 электроны попадают на анод, и магнетрон в этом

случае ведет себя как обыкновенный вакуумный анод. Магнитное поле, при котором прекращается анодный ток,

называется критическим. Индукцию критического поля Вкр можно определить из условия R = d/2.

Используем полученное ранее выражение для радиуса ок­

На рис. 14.5, а представлена структура электрических СВЧ­

полей для N = 8 и п = 4 (<р = 7t).

Таким образом, различные виды колебаний в магнетроне

можно характеризовать либо числом п, которое определяет но­

мер вида колебаний, либо фазовым сдвигом <р.

Одним из наиболее эффективных видов колебаний является

7t-вид, для которого <р = 7t. Из формулы (14.9) видно, что колеба­

N

ния вида л: реализуются при п- = 2 . Это возможно при четном

числе резонаторов N.

Распределение напряженности переменного электрического

поля вдоль анода для <р = 7t при N = 8 дано на рис. 14.5, б. Элект­

рическое поле в основном сосредоточено вблизи щелей резона­

торов. Если построить огибающую распределения S = f(x), то по­

лучим четыре периода, т. е. четыре длины волны укладывается

вдоль анодного блока в рассматриваемых условиях.

Как видно из рис. 14.5, б, распределение поля в пространстве

взаимодействия носит периодический, но не гармонический ха­

рактер, хотя изменение напряженности поля во времени в каж­

дой точке пространства носит синусоидальный (гармониче­

ский) характер. Такое пространственное распределение при разложении в ряд Фурье содержит бесконечную последователь­

ность пространственных гармоник.

- Как следует из изложенного в п. 13.3, фазовая скорость лю­

бой пространственной гармоники vФ = ro/kзp' kзр - волновое чис­

ло пространственной гармоники номерар =О, ±1, ±2, ... ; kзр = = k30 + kзр'; р' = ±1, ±2, ... ; k30 = 27t/A30 ; А30 легко определяется из