Лекция 9. СВЧ
9. Нарастание волн пространственного заряда.
9.1. Резистивный усилитель.
В предыдущей лекции мы рассмотрели волны пространственного заряда, амплитуда которых не меняется ни в пространстве ни во времени. Общая закономерность: возникают одновременно быстрые и медленные волны пространственного заряда, одна из которых (быстрая, она же – волна с положительной энергией) нарастает при вложении энергии, а другая (медленная, она же – волна с отрицательной энергией) нарастает при отборе энергии. В однородных системах без потерь волны пространственного заряда не могут возникнуть сами по себе. Их нужно возбудить, “всколыхнув” хотя бы где-нибудь электронный поток.
Хороший пример системы с нарастающими волнами - резистивный усилитель. Схематическое изображение сечения такого усилителя показано на рис. 9.1. Сформированный электронной пушкой электронный пучок
|
Рис.9.1. |
проводится внутри диэлектрического канала транспортировки, внутренняя поверхность которого покрыта тонкой углеродной пленкой. По выходе из канала пучок осаждается на коллекторе. Перед входом в канал пучок модулируется ВЧ |
полями входной спирали. В результате от входной спирали далее по пучку распространяются быстрая и медленная волны пространственного заряда. ВЧ сигнал на выходе из канала, обусловленный движением сгустков пространственного заряда, регистрируется выходной спиралью.
Судьба быстрой и медленной волн пространственного заряда различна и обусловлено это наведением токов в углеродной пленке, нанесенной на стенку канала. Потери, связанные с существованием этого поглотителя, должны вести к тому, что быстрая волна пространственного заряда затухает, а медленная наоборот нарастает при ее распространении в сторону коллектора. Действительно, усиление в описанной системе достигает 15 дБ.
Верность интерпретации полученного усиления наглядно подтверждается коренным изменением результатов при замене диэлектрического канала с поглотителем медной трубкой, которая вносит существенно меньшие потери, так как имеет значительно большую проводимость. В устройстве с медной трубкой усиление практически отсутствует.
Если отсутствуют потери, следовало бы ожидать, что обе волны пространственного заряда при своем движении от первой спирали не должны существенно менять амплитуду. Но тогда из-за того, что быстрая и медленная волны имеют разные фазовые скорости, в электронном пучке должна установиться стоячая картина суммы полей этих волн с расстоянием между соседними максимумами поля, примерно равным плазменной длине волны пл
. (9.1)
Здесь следует пояснить, почему в выражении (9.1) присутствует именно плазменная, а не редуцированная плазменная частота, о которой мы говорили на прошлой лекции. Это не совсем верно, так как мы в данном случае рассматриваем электронный поток, распространяющийся внутри проводящей трубы и, казалось бы, необходимо учитывать уменьшение полей пространственного заряда, обусловленное наведением зарядов обратного знака в стенках трубы. Это действительно так, но в случае, если труба имеет большой диаметр, а электронный поток мы используем малого диаметра, то редукция плазменной частоты невелика и редуцированная плазменная частота близка по величине к плазменной.
********************************************************************
В выражении (9.1) плазменная частота определяется выражением
, (9.2)
т.е. пропорциональна корню квадратному из концентрации электронов. Если учесть, что ток пучка Iп пропорционален концентрации, из (9.1) следует, что расстояние между максимумами и минимумами стоячей картины ВЧ поля должно меняться при изменении тока пучка. С другой стороны, учитывая, что скорость электронов пропорциональна корню квадратному из ускоряющего электроны напряжения Uo
, (9.3)
можно ожидать, что расстояние между максимумами и минимумами должно меняться и с изменением ускоряющего напряжения.
|
Рис.9.2. |
происходящие с изменением Uo. Этот эксперимент описан в книжке Рабиновича и Трубецкова. Здесь цифрами 1, 2, 3 обозначены изменения мощности на выходе, полученные соответственно в системе с медным цилиндром (1) и с поглощающим цилиндром (2,3). Зависимость 2 получена с меньшим, чем характеристика 3, током пучка. Заметное усиление достигнуто только при достаточно большом электронном токе. |
Сказанное означает, что сигнал выходной спирали, пропорциональный ВЧ мощности в пучке (а следовательно квадрату переменной составляющей плотности тока), должен немонотонно меняться с изменением как тока пучка, так и ускоряющего электроны напряжения. Эксперимент подтверждает ожидания, еще раз свидетельствуя в пользу предложенного выше объяснения работы резистивного усилителя.
На рис.9.2 показаны изменения мощности в выходной спирали,
Таким образом, эксперименты с резистивным усилителем наглядно подтверждают концепцию волн с отрицательной и с положительной энергией. Казалось, что резистивный усилитель интересен и с практической точки зрения, так как исключительно прост конструктивно и не требует сложных электродинамических структур, потенциально может функционировать в широкой полосе частот. Но эти усилители не нашли применения, так как не обеспечивают ни больших выходных мощностей, ни высоких КПД. Основные трудности связаны с большими потерями мощности, с трудностями отвода тепла.