- •Электронные и квантовые приборы свч
- •Глава 1 Общие сведения по электронным и квантовым приборам свч и оптического дипазонов
- •Особенности свч и оптического диапазонов
- •1.2. Общие сведения об электронных и квантовых приборах свч и оптического диапазонов и их основных параметрах
- •1.3. Классификация электронных и квантовых приборов свч и оптического диапазонов
- •Глава 2 триоды и тетроды свч
- •2.1. Полный ток в промежутке между электродами и во внешней цепи электровакуумных приборов
- •2.2. Работа триода на свч
- •2.3. Применение триодов и тетродов свч
- •Глава 3 клистроны
- •3.1. Пролетный двухрезонаторный клистрон
- •3.2. Двухрезонаторные клистронные генераторы
- •3.3. Многорезонаторные клистроны
- •3.4. Применение многорезонаторных клистронов
- •3.5. Отражательный клистрон
- •Глава 4 лампы бегущей волны типа о (лбво)
- •4.1 Принцип работы лампы бегущей волны
- •4.2. Замедляющие системы
- •4.3. Элементы линейной теории лбв
- •4.4. Параметры и характеристики лбв
- •4.5. Особенности устройства и применения лбв
- •4.6. Гибридные приборы типа о
- •4.7. Лампа обратной волны
- •Глава 5 приборы типа м
- •5.1. Движение электронов в скрещенных статических электрическом и магнитном полях
- •5.2. Взаимодействие электронов и свч поля
- •5.3. Лампа бегущей волны типа м (лбвм)
- •5.4. Лампа обратной волны типа м (ловм)
- •5.5. Многорезонаторный магнетрон
- •5.6. Митрон
- •5.7. Платинотрон
- •5.8. Приборы с циклотронным резонансом
- •Глава 6 полупроводниковые диоды и транзисторы свч
- •6.1. Полупроводниковые диоды свч
- •Глава 7 лавинно-пролетные диоды (лпд)
- •Глава 8
- •Глава 9 физические основы квантовых приборов
- •9.1. Энергетические уровни
- •9.2. Квантовые переходы
- •9.3. Ширина спектральной линии
- •9.4. Возможность усиления и генерации в квантовых системах
- •9.5. Взаимодействие бегущих электромагнитных волн с активной средой
- •Глава 10 квантовые приборы свч
- •10.1. Квантовые парамагнитные свч усилители
- •10.2. Квантовые стандарты частоты (ксч)
- •Глава 11 лазеры
- •11.1. Оптические резонаторы
- •11.2. Условия самовозбуждения и мощность излучения лазера
- •11.3. Характеристики излучения в оптическом диапазоне
- •11.4. Газовые лазеры
- •11.5. Лазеры на твердом теле
- •11.6. Жидкостные и химические лазеры
- •11.7. Полупроводниковые лазеры
- •11.8. Методы модуляции излучения лазера
- •11.9. Применение лазеров в технике связи
- •Заключение
- •Основные обозначения
- •Список литературы
- •Предметный указатель
- •Оглавление
- •Глава 6. Полупроводниковые диоды и транзисторы свч………………………….………
Глава 2 триоды и тетроды свч
2.1. Полный ток в промежутке между электродами и во внешней цепи электровакуумных приборов
Устройство и принцип работы электронных ламп рассматривались в курсе «Электронные приборы» [1]. Как известно, в электронных лампах используется электростатическое управление электронным потоком, заключающееся в том, что изменение напряженности электрического поля в рабочем объеме лампы вызывает изменение высоты потенциального барьера для электронов в области объемного заряда около катода, а следовательно, изменение числа электронов, участвующих в создании тока.
При переменных напряжениях на электродах лампы ток можно считать безынерционной функцией напряжения, если время пролета электронов в промежутке между электродами много меньше периода переменного напряжения Т. Такой режим работы получил название квазистатического режима.
Однако с ростом частоты время пролета может оказаться сравнимым с периодом переменного напряжения и больше его. В этом случае необходимо учитывать, что за время пролета электрона сильно изменяются напряжение на электродах и электрическое поле в пространстве между ними. Если амплитуда переменного напряжения велика, возможно даже возвращение электронов к катоду. Теперь связь мгновенных значений токов и напряжений не соответствует связи в статическом или квазистатическом режиме. Для учета влияния времени пролета электронов на токи электродов применяется понятие наведенного тока, которое будет использовано и при рассмотрении специальных приборов СВЧ. Рассмотрим два плоских электрода (рис. 2.1) с равными потенциалами. Предположим, что от электрода 1 к электроду 2 движется тонкий электронный слой с общим зарядом — q.
Вследствие явления электростатической индукции отрицательный заряд — q наводит на электродах положительные поверхностные заряды и, так что
. (2.1)
Введем обозначения: — диэлектрическая постоянная вакуума;S — площадь электродов; d — расстояние между электродами.
Используя теорему Гаусса, можно определить напряженности поля у поверхности электродов:
(2.2)
Очевидно, что
(2.3)
где z — координата электронного слоя.
Подставляя в это выражение ииз (2.2), получим
(2.4)
Используя (2.1) и (2.4), найдем связь наведенных зарядов и с координатой электронного слоя z:
. (2.5)
Зависимость иотz линейная, при z=0, и, а при z=d и. Вследствие движения слоя его координата z является функцией времени, при этом скорость слоя v=dz/dt. Изменение зарядов иво времени означает, что в цепи течет ток
, (2.6)
называемый наведенным током.
Используя (2.6) и (2.5), получим
. (2.7)
Наведенный ток возникает, как только электронный слой появляется в промежутке между электродами, и исчезает, когда электронный слой достигает второго электрода. Длительность импульса наведенного тока равна времени пролета электронов. Длительность импульса наведенного тока равна времени пролета электронов. При постоянной скорости электронов () импульсбыл бы прямоугольным, при линейной зависимости скорости от времени — треугольным.
Используем (2.7) для нахождения наведенного тока во внешней цепи плоских электродов, если в пространстве между ними, в рассматриваемый момент времени существует произвольное распределение плотности зарядов , а не тонкий электронный слой. Применим (2.7) к бесконечно тонкому слою с толщинойdz и зарядом —dq, а затем произведем интегрирование. Наведенный ток, создаваемый элементарным слоем по (2.7)
(2.8)
Очевидно, что
,
поэтому из (2.8) получим
. (2.9)
Создаваемый всеми электронными слоями в промежутке d момент времени t наведенный ток
. (2.10)
Подынтегральное выражение есть значение электронного тока в сечении z в момент времени t, связанное с переносом (конвекцией) электронов. Назовем его конвекционным током
. (2.11)
Подставляя (2.11) в (2.10), получим
. (2.12)
Если к электродам, показанным на рис. 2.1, приложить переменное напряжение u(t), то во внешней цепи кроме наведенного тока (2.12) будет существовать емкостный ток
, (2.13)
где . — емкость между электродами. Поэтому полный ток в цепи
. (2.14)
В (2.14) полный ток представлен как сумма наведенного и емкостного токов во внешней цепи, в отличие от обычного представления его суммой конвекционного тока (тока проводимости) и тока смещения, определяемых в зазоре между электродами:
(2.15)
Выражение (2.12) позволяет вычислить наведенный ток во внешней цепи электродов, если известна зависимость конвекционного тока в зазоре от координаты и времени . Наведенный ток в момент времениt равен усредненному по длине зазора значению, конвекционного тока в этот момент времени. В частном случае, когда время пролета электронов много меньше периода переменного напряжения, можно считать, что практически не зависит от координаты и его можно вынести за знак интеграла. Тогда, т.е. наведенный ток совпадает с конвекционным. Поэтому в квазистатическом и статическом режимах нецелесообразно пользоваться понятием наведенного тока.
В лампах СВЧ период переменного напряжения сравним с временем пролета электронов, поэтому конвекционный ток в зазоре сильно зависит от координаты z и наведенный ток не равен конвекционному.