Лекция 10. СВЧ

10.1. О классификации рассмотренных неустойчивостей пространственного заряда.

До сих пор основное внимание мы уделяли рассмотрению неустойчивостей в электронно-пучковых системах. При этом казалось само собой разумеющимся, что развитие неустойчивости начинается в пушечной части системы формирования пучка. Амплитуда колебаний нарастает вдоль пучка до его оседания на коллекторе. Такую неустойчивость принято называть конвективной или сносовой. Общим свойством таких неустойчивостей является то, что возмущение в них, нарастая, сносится в пространстве. Типичный пример такой неустойчивости – двухпотоковая неустойчивость.

Наряду с неустойчивостями такого типа, встречаются также и неустойчивости, в которых возмущение нарастает во всей данной области одновременно, не покидая ее. Такой вид неустойчивости называют истинной или абсолютной. Пример неустойчивости такого типа - слиппинг-неустойчивость в пространственном заряде цилиндрического магнетронного диода. Здесь, как мы уже говорили, нарастают деформации внешней границы электронного облака. При этом деформированная граница вращается вокруг оси и после одного оборота амплитуда деформаций нарастает во всем пространстве.

Понятно, что указанное разделение видов неустойчивости несколько условно и зависит от выбора системы координат. Так, если в электронном пучке мы перейдем в систему координат, движущуюся с возмущением, оно представится нам нарастающим во времени, но не смещающимся относительно наблюдателя, и мы сможем отнести данную неустойчивость к классу абсолютных. С другой стороны, в замкнутом потоке, вводя локальное возмущение и следя за его развитием только до замыкания по кругу, мы можем считать что имеем дело с конвективной неустойчивостью.

Основное отличие абсолютных и конвективных видов неустойчивостей - разное возможное время их развития. В конвективной неустойчивости это время ограничено “выносом” электронов из пространства прибора. В абсолютной неустойчивости это время может быть значительно больше, хотя и ограничено, в принципе, нелинейными процессами в пространственном заряде, развивающимися по мере увеличения амплитуды возмущения.

Отметим здесь, что фактор времени играет важную роль в развитии неустойчивостей. С учетом времени нарастания развитие колебаний становится более вероятным для долгоживущих электронов во всякого рода ловушках. Мы встретимся еще с примерами коллективных процессов в ловушках при рассмотрении методов формирования электронных потоков для СВЧ устройств.

10.2. Объяснение работы основных типов свч устройств с использованием концепции волн пространственного заряда.

Концепция волн пространственного заряда позволяет с единых позиций объяснить работу основных типов СВЧ устройств. Рассмотрим, иллюстрируя это, сначала электронно-пучковые устройства с протяженным взаимодействием.

Будем исходить из того, что независимо от типа устройства, волна, распространяющаяся по замедляющей системе, - быстрая волна с положительной энергией. Тогда нетрудно понять, что если мы осуществим синхронное взаимодействие волны в ЗС с медленной попутной волной пространственного заряда (волной с отрицательной энергией), то будут нарастать обе волны и мы реализуем устройство, которое мы раньше назвали лампой бегущей волны (ЛБВ).

Фазовая скорость медленной волны пространственного заряда определяется соотношением

, (10.1)

где _Э – эффективная (или редуцированная), плазменная частота. Эффективная плазменная частота имеет величину меньше плазменной. Но при условии, что проводящая стенка (например, граница замедляющей системы) находится достаточно далеко от границы электронного пучка, разница между эффективной частотой и плазменной частотой может быть невелика.

При синхронном взаимодействии фазовая скорость медленной волны пространственного заряда должна быть равна фазовой скорости волны в ЗС, т.е.

. (10.2)

Отсюда мы можем определить скорость электронов, при которой взаимодействие волны в ЗС и медленной волны пространственного заряда будет наиболее эффективно. Эта скорость равна

. (10.3)

Таким образом, используя концепцию волн пространственного заряда, мы сумели объяснить оптимальное превышение скорости электронов над фазовой скоростью волны в замедляющей системе. Ранее при анализе работы приборов такого типа мы говорили только о необходимости небольшого превышения для передачи энергии от электронных сгустков ВЧ волне в ЗС, но не конкретизировали это превышение.

По аналогии с проведенным рассмотрением не трудно понять, что в основе работы ЛОВ заложено взаимодействие медленной волны пространственного заряда с обратной электромагнитной волной замедляющей системы.

Концепция волн пространственного заряда позволяет объяснить работу не только тех приборов, о которых уже шла речь. Действительно, зададимся, например, вопросом, о том, что получится, если мы реализуем синхронное взаимодействие быстрой волны пространственного заряда (волны с положительной энергией) и прямой электромагнитной волны в замедляющей системе. При этом с очевидностью волна пространственного заряда будет отнимать энергию из замедляющей системы, а значит мы создадим ЛБВ-подавитель (поглотитель). Понятно, что такого типа устройства тоже представляют интерес, так как они могут использоваться в широкой полосе частот. Аналогично, реализуя синхронное взаимодействие быстрой волны пространственного заряда с обратной электромагнитной волной в замедляющей системе, мы сможем реализовать ЛОВ-подавитель.

Рассмотрение, проведенное для электронно-пучковых систем, можно распространить и на случай устройств магнетронного типа. Пусть, например, мы имеем прибор с коаксиальными катодом и анодом, в котором магнитное поле ориентировано вдоль оси, а на аноде расположена замедляющая система. Если мы сумеем осуществить синхронное взаимодействие медленной волны пространственного заряда с обратной электромагнитной волной замедляющей системы, мы реализуем прибор, который ранее назвали амплитроном. Понятно, что в магнетронном генераторе синхронно взаимодействуют медленная волна пространственного заряда с попутной волной в замедляющей системе.