Электронные приборы СВЧ. Учебное пособие

2.3.4 При каких условиях электрон, вылетая из катода магнетрона, попадает на

анод?

2.3.5 Какие конструкции резонаторных систем магнетронов используют в сан-

тиметровом диапазоне волн?

2.3.6Как можно представить эквивалентную схему резонаторной системы магнетрона?

2.3.7Когда в магнетроне устанавливается режим, соответствующий отсут-

ствию анодного тока?

2.3.8За счет чего происходит возникновение незатухающих СВЧ колебаний в магнетроне?

2.3.9Что приводит к образованию в магнетроне областей с повышенной плот-

ностью пространственного заряда в форме «спиц»?

2.3.10 Каким образом компенсируется потеря кинетической энергии электро-

на, движущегося в тормозящем поле магнетрона?

31

3 Электронные приборы с нерезонансными колебательными

системами

3.1 Общие сведения о приборах с нерезонансными колебательными

системами

В ЭП с нерезонансными колебательными системами осуществляется длитель-

ное взаимодействие электронного потока, распространяющегося вдоль линии пере-

дачи, с полем бегущей волны в этой линии, для которой выполняется условие фазо-

вого синхронизма с электронным потоком [23]. Электроны могут взаимодействовать как с «быстрыми» волнами, распространяющимися в линии передачи с фазовой ско-

ростью порядка скорости света, так и с «медленными», фазовая скорость которых меньше скорости света в вакууме и меньше средней скорости электронного потока.

Взаимодействие с «медленными» волнами осуществляется в ЛБВ. В них ис-

пользуются замедляющие системы, в которых фазовые скорости распространяюще-

гося радиосигнала оказываются меньше средней скорости электронов, взаимодей-

ствующих с продольными компонентами электрических полей радиосигнала.

Направление распространения волны, с которой взаимодействует электронный по-

ток, может совпадать или быть противоположным направлению электронного пото-

ка. В первом случае говорят о лампах прямой волны, во втором – о лампах обратной волны. Обычно термин ЛБВ относят только к лампам прямой волны.

В зависимости от типа замедляющей системы ЛБВ и ЛОВ разделяют на при-

боры О- и М-типов. В приборах О-типа электроны движутся прямолинейно и груп-

пируются в сгустки продольной составляющей поля излучения, передавая свою ки-

нетическую энергию электромагнитной волне.

В ЛБВ и ЛОВ М-типа электроны движутся по криволинейным траекториям,

группируясь в сгустки за счет взаимодействия с поперечной составляющей электри-

ческого поля радиосигнала и отдавая свою потенциальную энергию в результате взаимодействия с продольной составляющей электрического поля радиосигнала.

Приборы М-типа, подобно магнетронам, работают в скрещенных постоянных элек-

трическом и магнитном полях, откуда и получили свое название.

32

3.2 Лампы бегущей волны М-типа

Конструктивно ЛБВ М-типа (ЛБВМ) линейной конструкции почти не отлича-

ется от ЛБВ О-типа (ЛБВО) с гребенчатой замедляющей системой. Схематическое изображение такой ЛБВМ показано на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Схема ЛБВМ

Она состоит из электронной пушки с ускоряющим электродом 1, гребенчатой замедляющей системы 2 с подошвой 4, коллектора 3. Подошва является отрица-

тельным электродом по отношению к ламелям замедляющей системы. Электронная пушка должна быть экранирована от воздействия поперечного магнитного поля на электронный пучок до ввода его в замедляющую систему.

Отличительной особенностью ЛБВМ от ЛБВО является то, что электронный поток движется в скрещенных постоянных электрическом E и магнитном B полях по циклоидальным траекториям, как в магнетронах (рисунок 3.1), то есть в них ра-

диосигналу передается потенциальная энергия электронов при сохранении во время движения среднего значения их кинетической энергии.

Циклоидальная траектория электронов нежелательна, так как для получения высоких энергетических показателей электронный поток должен двигаться вдоль замедляющей системы. Прямолинейная траектория является частным случаем цик-

лоиды, ибо она соответствует траектории движения центра круга, катящегося по от-

рицательному электроду (рисунок 3.2).

33

Таким образом, начальная скорость v0 электронов при попадании их в замед-

ляющую систему

а электронный пучок должен быть достаточно узким.

Как и в магнетронах, в ЛБВМ электроны группируются под действием попе-

речной компоненты электрического поля радиосигнала, распространяющегося по замедляющей системе. Электроны будут собираться в пакеты на участках, где попе-

речная компонента высокочастотного поля оказывается нулевой, а продольная ком-

понента является для них тормозящей.

Электроны, оказавшиеся в ускоряющей фазе продольного высокочастотного поля, отклоняются к подошве замедляющей системы, где продольная составляющая поля уменьшается до нулевого значения на поверхности электрода, поэтому их вли-

яние на КПД не велико. Группировка электронов в пакеты показана на рисунке 3.2.

Вконце замедляющей системы электронные пакеты постепенно оседают на ее поверхности либо на коллекторе.

ВЛБВМ группировка электронов и отбор энергии от них более эффективны,

чем в ЛБВО, а фазовая фокусировка пакетов обеспечивает наилучшим образом пе-

редачу энергии электронов полю радиосигнала, который их формирует. Кроме того,

в процессе взаимодействия электронные пакеты смещаются к замедляющей системе,

теряя свою потенциальную энергию. Подходя к поверхности замедляющей системы,

35

электроны оказываются в более интенсивном тормозящем поле, и эффективность взаимодействия повышается. Отметим, что в ЭП СВЧ типа М потери кинетической энергии электронами в тормозящей фазе высокочастотного поля постоянно восста-

навливаются благодаря ускорению электронов в скрещенных постоянных электри-

ческом и магнитном полях. Поэтому средняя скорость электронов вдоль замедляю-

щей системы и их усредненная кинетическая энергия не изменяются при смещении электронов к замедляющей системе, выполняющей роль анода.

Оценим предельные значения КПД в ЛБВМ. Поскольку электрон при взаимо-

действии в скрещенных полях теряет лишь свою потенциальную энергию, а его ки-

нетическая энергия в среднем остается постоянной, то при достижении им замедля-

ющей системы электрон отдаст полю энергию

где Ed – потенциал электрического поля в точке влета электронов в замедляющую систему.

Энергия, сообщаемая электрону от источника питания, определяется анодным напряжением:

Поскольку потенциал в точке влета и анодное напряжение в ЛБВМ с плоски-

ми электродами связаны соотношениями

36

где E – напряженность постоянного электрического поля в межэлектродном про-

странстве ЛБВМ, то для предельного значения КПД получим:

Следовательно, чем ближе к подошве замедляющей системы инжектируются электроны, тем выше будет КПД прибора. Однако уменьшение d требует увеличе-

ния магнитной индукции и соответственно роста Ea , кроме того, ухудшается взаи-

модействие электронного потока с полем радиосигнала. Поэтому на практике при-

ходится искать компромисс между противоречивыми требованиями и обычно зна-

чение КПД в ЛБВМ составляет от 20 % до 35 %.

В реальных условиях чаше используются не линейные, а цилиндрические кон-

струкции ЛБВМ, фактически представляющие свернутые в незамкнутое кольцо ли-

нейные конструкции. Это позволяет упростить реализацию магнитных систем при-

бора и уменьшить его габариты.

Коэффициент усиления ЛБВМ обычно лежит в пределах от 15 до 30 дБ, уров-

ни выходной мощности – от нескольких киловатт в режиме непрерывного генериро-

вания до 300 кВт в импульсном, рабочие диапазоны частот могут достигать октавы.

ЛБВМ работают практически во всем СВЧ диапазоне от дециметрового до верхней части миллиметрового.

3.3 Лампы бегущей волны О-типа

Генераторы на ЛБВО используются для широкополосного усиления радио-

сигналов как малой, так и большой мощности в импульсном и непрерывном режи-

мах в различных диапазонах частот вплоть до миллиметрового [6]. Параметры ЛБВО во многом определяются характеристиками замедляющей системы. Наиболее широкополосной замедляющей системой является спираль, которая используется в большинстве конструкций ЛБВ малой и средней мощности.

37

Для мощных ЛБВ замедляющая система в виде спирали обладает рядом недо-

статков. Обычно спираль приходится крепить, зажимая ее между керамическими или кварцевыми поддержками или вставляя в калиброванную диэлектрическую трубку, что затрудняет теплоотвод от нее. При больших ускоряющих напряжениях и высоких скоростях электронов спираль малоэффективна, так как при малом замед-

лении шаг спирали оказывается близким к ее диаметру. В редкой спирали с боль-

шим диаметром велики амплитуды высших пространственных гармоник, а поле ос-

новной волны ослаблено. При уменьшении же диаметра спирали для снижения вли-

яния высших гармоник ограничиваются достижимые значения тока и толщины электронного луча [25].

Поэтому в мощных ЛБВ обычно используют замедляющие системы, имеющие конструкцию, не нуждающуюся в диэлектрических опорах и обеспечивающую вы-

сокую интенсивность продольной составляющей электрического поля радиосигнала.

К таким конструкциям относятся различного типа диафрагмированные волноводы,

состоящие из связанных через щели цепочек цилиндрических резонаторов с колеба-

ниями типа E010 , при которых получается максимальная концентрация продольной составляющей электрического поля радиосигнала вдоль оси, где имеется пролетный канал. Данные системы имеют крутую дисперсионную характеристику, и мощные ЛБВ будут узкополосными. Такие замедляющие системы бывают нескольких видов.

На рисунке 3.3 показана замедляющая система с радиальными щелями в раз-

деляющих резонаторы стенках и выступами в резонаторах, получившая название

«кленовый лист».

Рисунок 3.3 – Замедляющая система «кленовый лист»

38

Основной в этой системе является прямая волна. Соответствующая этой си-

стеме ЛБВ может иметь относительный рабочий диапазон частот до 20 %.

Более проста в выполнении замедляющая система с секторными отверстиями магнитной связи, показанная на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Замедляющая система с секторными отверстиями магнитной связи

Расположение секторных отверстий в общих стенках резонаторов повторяется через один резонатор, поэтому система является двухступенчатой и ее дисперсион-

ная характеристика имеет две ветви. Для работы ЛБВ обычно используется первая пространственная гармоника прямой волны, на которой дисперсионная характери-

стика имеет пологий участок. ЛБВ с подобной замедляющей системой может иметь относительный рабочий диапазон частот до 15 %.

В ЛБВ миллиметрового диапазона в основном используются замедляющие си-

стемы гребенчатого (рисунок 3.5) и лестничного (рисунок 3.6) типов как наиболее технологичные.

Рисунок 3.5 – Замедляющая система гребенчатого типа

39