Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009

стка является электрон, пролетевший резонатор, когда1 мгно­

венное, значение переменного напряжения равно нулю при из­

менеuии от положительного к отрицательному. Это связано с

тем, что вектор скорости возвращающихся электронов противо­

положен по направлению вектору скорости электронов~ ,цвижу­

щихся' от катода. Подбором И0 и Иотр можно добиться того, что­

бы сгусток электронов пролетал сетки резонатора в максималь­ но тормозящем СВЧ-поле, т. е. когда СВЧ-потенциал в середине зазора был бы максимально положительным (рис. 13.6). При

изменении И0 или Иотр глубина проникновения электронов в

пространство отражателя будет различной. Например, умень­

шение IИотрl приводит к тому' ЧТО Хмакс будет больше и ПЛОСRОСТЬ

остановки электронов приближается к отражателю и, следова­

тельно,' время движения электронов от резонатора к отражате­

лю и назад будет возрастать. В результате электронный сгусток

х

t'

п=2

Рис. 13.6

Глава 13. Электровакуумные приборы СВЧ с динамическим управлением 373

может попадать в ближайший тормозящий период, когда п =О, а время пролета невозмущенного электрона tпр = 3/4Т при напря-

жении На отражателе Uотр = U~~b ИЛИ же В СJi:едуЮЩИЙ ТОРМОЗЯ­

ЩИЙ период, когда tпр = 3/4Т + пТ = (п + 3/4)Т, а п = 1, 2... (значе~ ние п представляет собой номер зоны генерации). На рис. 13.6

иотр = и~~ь для п =о, иотр = и~~ь для п = 1 и иотр = и~~ь для п = 2.

Сгустки, попадая в тормозящее СВЧ-поле, передают ему энер­ гию и поддерживают колебания в резонаторе при отводе ее в на­ грузку. Зависимость мощности в нагрузке Рн для рассмотрен­

ных зон генерации приведена в нижней части рис. 13.6.

Ток в отражательном клистроне можно вычислить, пользу­

ясь, как и в ДРК, законом сохранения заряда. Если ie - конвек­

ционный ток в плоскости, проходящей через середину зазора резонатора, а I 0 - ток электронного потока в отсутствие моду­

ляции, то в результате расчетов можно получить, что при i = 1 iex = !0/(1+Хcos0), где 0 = mt - фаза переменного напряжения в момент вылета электронов из резонатора. Это выражение отли­ чается от формулы (13.4) для ДРК лишь знаком перед cos, что

объясняется .сдвигом центра группирования в. ОК на 1t по сравне­ нию с ДРК. Следовательно, спектральный состав электронного

тока в ОК не изменяется по сравнению с ДРК, и все соответст­

вующие выводы, сделанные для ДРК, справедливы и для ОК.

Условия генерации. Эти условия, как и для любого автогене­

ратора, определяются балансом фаз и балансом мощности. Фи­ зически баланс фаз в ОК выполняется при условии, что сгусток

электронов приходит от отражателя в середину между сетками

резонатора в максимуме тормозящего поля, т. е.

Как видим из этого выражения, условие генерации сущест­

вует для различных зон генерации (различные значения п).

Условие баланса фаз на основе анализа эквивалентной схемы

(рис. 13. 7) можно записать в виде равенства реактивных прово­ димостей

Ве+ВР=О,

где ве, вр - соответственно реактивная проводимость элек­

тронного потока и резонатора.

1

__ J

щие разным величинам п =

= о, 1, 2, 3, ... , поскольку

меняется tпр·

Рис. 13.7

Сгруппированные элект­

роны, возвращаясь к сеткам резонатора, тормозятся СВЧ-полем

и тем самым передают энергию этому полю, поддерживая коле­

бания в резонаторе. Сгусток электронов наводит в резонаторе

ток, амплитуда которого, так же как и в ДРК (см. выражение

(13. 7)), равна I 2 m = 2PI0J 1(X). (Здесь индекс у Р опущен, по­

скольку в ОК только один резонатор.) Мощность, передаваемая

электронным потоком резонатору, равна Ре= PI0U mJ1(Х). Часть

этой мощности (Рп> расходуется на восполнение потерь в самом

резонаторе, а остальная мощность (Рн> отводится в нагрузку:

Ре=Рп+Рн.

При проводимостях потерь Gп и нагрузки Gн мощности потерь

и нагрузки представим соответственно в виде Рп = (И~Gп)/2, Рн = (И~Gн)/2 (см. рис. 13.6, внизу). При этом Ре= PI0ИmJ1(X) =

=И~(Gп + Gн)/2. Последнее выражение является условием балан­

са мощности в ОК. Если ввести эквивалентную активную прово­ димость электронного потока Ge (см. рис. 13. 7), то условие ба­

ланса мощностей можно записать в виде равенства нулю суммы

активных проводимостей Ge + Gп + Gн =О, при этом Ge имеет от­

рицательное значение.

Электронная настройка частоты. В ОК суЩествуют различные

зоны генерации не при фиксированных И0 и Иотр• а в определен­ ном диапазоне значений И0 или Иотр· Это связано с тем, что при

изменении: ускоряющего напряжения и напряжения на отража­

теле происходит также и изменение частоты колебаний. Такое явление называется электронной настройкой частоты. Обычно в ОК

частоту изменяют за счет регулировки напряжения на отража­

теле, так как в его цепи ток не протекает, а значит, и нет потери

мощности при электронной настройке. Электронная настройка

ограничено необходимостью иметь ма.цый угол пролета элект­

ронов В зазоре резонатора (если 83 __... 0, ТО~__... 1).

Повышение напряженности СВЧ-поля в зазоре можно осу­

ществить либо за счет увеличения амплитуды колебаний, либо

путем уменьшения ширины зазора резонаторов. В первом случае требуются контуры с очень высокой добротностью, а во втором

при уменьшении зазора возрастает емкость резонатора и, следо­

вательно, падает добротность; кроме того, амплитуда колебаний

напряжения не может быть больше, чем э. д. с. (напряжение) И0

источника питания. Усилители и генераторы на ЛБВО и ЛОВО в

значительной мере лишены указанных недостатков. В этих при­

борах происходят те же процессы, что и в пролетных клистронах, т. е. под действием СВЧ-поля электроны группируются в сгуст­

ки, которые тормозятся электрическим полем волны, передавая

последней часть своей кинетической энергии. Отличием ЛБВО и

ЛОВО от клистронов является то, что модуляция скорости элект­ ронов осуществляется не в определенных, небольших по протя­

женности, участках пространства, а на достаточно большом от-

\

резке пути в процессе почти синхронного движения волны и

электронов у поверхности замедляющей системы.

Устройство. Устройство ЛБВО изображено на рис. 13.9. ЛБВО чаще всего представляет собой длинную стеклянную кол­

бу небольшого диаметра, в одном конце которой размещены

электроды 1, 2, 3, образующие электронную пушку, которая

формирует электронный поток с заданными характеристиками. Колебательная система прибора состоит из спирали 5 и цилинд­

рического волновода, являющегося одновременно и каркасом фо­

кусирующей катушки 6. Входной и выходной сигналы поступа­

ют соответственно через входной 4 и выходной 7 СВЧ-тракты.

Рис. 13.9

Глава 13. Электровакуумные приборы СВЧ с динамическим управлением 379

Концы спирали выполнены в виде полых цилиндров, Ч'.ГО позво­ ляет обеспечить лучшую связь входа и выхода прибора с коле­ бательной системой. Коллектор 8 собирает отработанные (про­ взаимодействовавшие с СВЧ-полем) электроны. Основное на­ значение фокусирующей катушки состоит в предотвращении

поперечной разгруппировки электронных сгустков под дейст­

вием объемного заряда электронов. Соленоид формирует про­ дольное, относительно оси прибора, магнитное поле, которое со­ здает силу Лоренца, прижимающую электроны, имеющие попе­ речную составляющую скорости, к оси прибора. Серьезной проблемой в усилителях на ЛБВО является согласование коле­ бательной системы с волновым сопротивлением входного фиде­ ра и сопротивлением нагрузки. При плохом согласовании часть энергии СВЧ отражается от выхода и движется в направлении ко входу, т. е. возникает обратная связь, что может вызвать ав­ токолебания, для устранения которых и используются согла­

сующие трансформаторы 9ипоглотитель10.

Замедляю'щие системы. Для получения эффективного взаи­

модействия электронного потока с СВЧ-волной требуется при­

мерное равенство фазовой скорости волны и скорости элект­

ронов (условие синхронизма), что достигается применением

специальных волноведущих систем, которые называются за­

медляющими. Основное назначение замедляющей системы

(3С) состоит в уменьшении фазовой скорости vФ волны. При ус­

коряющих напряжениях в сотни и тысячи В скорость движе­

ния электронов ve - 6·108 ••• 3 • 109 см/с, что составляет сотые и

десятые доли скорости света с. Следовательно, для получения синхронизма коэффициент замедления k 3 = с/vФ должен быть в пределах 3 ... 50. "Уменьшить фазовую скорость vФ можно или за

счет использования в волноводах материалов с большими зна­ чениям диэлектрической и магнитной постоянных Е иµ, так как

vФ =с/ ,/Еµ, или применением специальных волноведущих (замед­

ляющих) систем с периодическими условиями на границах,

примеры устройства которых даны на рис. 13.10, 13.11, 13.12