8. Гибридные электровакуумные приборы
8.1. Гибридизация электродинамических систем лбв и клистронов. Клистроны с распределенным взаимодействием
Несмотря на очевидные конструктивные отличия схем клистрона и ЛБВ им свойственна существенная общность функционального назначения основных элементов. Так, всю осевую область от электронной пушки до коллектора можно как в клистроне, так и в ЛБВ разбить на две характерные части:
1) области взаимодействия, характеризующиеся наличием продольной составляющей электрического поля резонатора или замедляющей системы (ЗС);
2) участки дрейфа, расположенные между областями взаимодействия, где имеется лишь поле пространственного заряда.
Основная задача областей взаимодействия (за исключением выходной области) и участков дрейфа как в клистроне, так и в ЛБВ – обеспечение группировки по плотности в электронном пучке. Идентично и функциональное назначение конечных (выходных) областей взаимодействия в клистроне и ЛБВ – эффективное преобразование кинетической энергии сгруппированного электронного потока в энергию сверхвысокочастотного поля.
Однако различие в структуре СВЧ полей однозазорных резонаторов в клистронах и согласованных отрезках ЗС в ЛБВ, различие основных электродинамических свойств этих устройств, а также особенности взаимодействия электронных пучков с СВЧ полями зазора резонатора и согласованного отрезка ЗС – все это определяет отличие характеристик и параметров клистронов и ЛБВ в целом.
Резонатор, как и любая другая колебательная система, характеризуется тем, что запасенная в нем энергия, как правило, значительно больше энергии, теряющейся в нем при свободных колебаниях за один период. Поэтому электронное уплотнение, пролетая зазор резонатора, подвергается действию СВЧ поля, являющегося в основном результатом воздействий предыдущих периодически следующих электронных уплотнений. Чем меньше потери в резонаторе (больше его добротность), тем большие по величине СВЧ поля (при прочих равных условиях) возбуждаются данными периодически следующими уплотнениями. Величина добротности Qрезонатора определяет также и его частотно-избирательные свойства
,
(8.1)
где f– ширина рабочей полосы частот резонатора,f0– средняя частота рабочей полосы частот.
Таким образом, повышая эффективность возбуждения резонатора электронным потоком за счет увеличения добротности, мы неизбежно уменьшаем интервал частот, в котором возбуждение резонатора достаточно эффективно.
Иную картину имеем при возбуждении сгруппированным электронным пучком согласованного с обоих концов отрезка ЗС, характеризующегося слабой дисперсией.
В этом случае каждое электронное уплотнение, влетающее со скоростью v0в канал взаимодействия отрезка ЗС, не встречает вначале электродинамической системы СВЧ поля, так как практически никакого «следа» воздействия предыдущих электронных уплотнений на входе отрезка ЗС не оказывается. Каждому электронному уплотнению приходится начинать, «работу с нулевого цикла»: предварительно сгруппированный электронный пучок сам возбуждает в ЗС СВЧ поле, которое, в свою очередь, воздействует на электронный пучок. Этот процесс воздействия (пучка на СВЧ поле и СВЧ поля на пучок) происходит непрерывно на протяжении движения каждого электронного уплотнения. Скорость электроновv0выбирают близкой к фазовой скоростиvфволны в ЗС. СВЧ поле волны как бы сопровождает электроны по длине отрезка ЗС, обеспечивая кумулятивный процесс энергообмена между пучком и СВЧ полем. Поток СВЧ мощности, непрерывно нарастая от левого конца к правому концу отрезка ЗС, поглощается в согласованной нагрузке.
Следует отметить, что в случае резонатора электронное уплотнение на достаточно коротком по длине СВЧ зазоре может заметно изменить свою кинетическую энергию, подвергаясь воздействию значительной по величине амплитуды поля.
В случае же согласованного отрезка ЗС эффективный энергообмен между предварительно сгруппированным электронным пучком и возбужденным им полем, ввиду отмечавшихся выше особенностей такого взаимодействия, может иметь место лишь при достаточно протяженной по длине области взаимодействия.
Таким образом, при использовании резонатора можно осуществить более глубокий отбор кинетической энергии от пучка, чем в случае согласованного отрезка ЗС. Действительно, если плотность в электронных сгустках, влетающих в зазор резонатора, достаточно велика (в идеале плотность электронов на входе в зазор резонатора описывается периодической по времени дельта-функцией), а скорости всех электронов в сгустке близки, то каждый сгусток будет тормозиться как единая крупная частица. Тогда при соответствующей амплитуде поля в зазоре, зависящей от величины нагруженной добротности резонатора, может иметь место почти полное торможение таких электронных сгустков и соответственно почти полное преобразование кинетической энергии сгустков в энергию СВЧ поля. Необходимо подчеркнуть, что при достаточно коротком зазоре резонатора и соответственно достаточно коротком времени взаимодействия, такие нелинейные факторы, как наличие кулоновских сил расталкивания, а также неизбежный разброс скоростей электронов в уплотнении, не приведут еще к существенному «рассыпанию» сгустка, что и предопределяет эффективность преобразования его кинетической энергии в энергию СВЧ поля.
В случае же согласованного отрезка замедляющей системы, где отбор кинетической энергии у электронных сгустков происходит не локально, а распределенно по всей длине отрезка, обеспечить на значительной длине области взаимодействия состояние сгустка, близкое к идеальному, становится все менее возможным. Это связано с тем, что даже небольшой разброс электронов по скоростям и наличие кулоновских сил расталкивания при относительно длительном процессе энергообмена будут вызывать «размазывание» электронных сгустков вдоль области взаимодействия. Это приведет к тому, что одна часть электронов пучка будет находиться в тормозящих фазах СВЧ поля, а другая часть – в ускоряющих.
Таким образом, наряду с уменьшением кинетической энергии у одной части электронов пучка будет иметь место ее увеличение у другой. Это и предопределяет меньшую эффективность согласованных отрезков ЗС по сравнению с резонаторами при отборе энергии электронного пучка.
Однако области взаимодействия, реализуемые согласованными отрезками ЗС, обладают важным достоинством, которое отсутствует при использовании резонаторов. Так если замедляющая система, из которой конструируются согласованные отрезки, характеризуется слабой дисперсией (фазовая скорость волны vфслабо зависит от частоты), то непременное условие эффективности взаимодействия (vф v0) электронного пучка с СВЧ полями ЗС будет выполняться в широкой полосе частот входного сигнала. Это означает, что как группирующая, так и выходная секции ЛБВ потенциально способны выполнять свои функции в широкой полосе частот.
На основе проведенного краткого сопоставления совокупности свойств, присущих классическим однозазорным резонаторам и согласованным отрезкам ЗС, могут быть поняты отличительные особенности параметров и характеристик клистронов и ЛБВ в целом.
Такие важные качества, как широкополосность ЛБВ и высокое значение коэффициента полезного действия у клистронов определили необходимость поиска таких конструктивных решений, когда в одном приборе сочетались бы достаточно высокие значения КПД и ширины рабочей полосы частот. Одним из таких конструктивных решений является переход от обычных однозазорных резонаторов к так называемым распределенным резонаторам (РР), представляющим собою отрезки замедляющих систем с отражающими элементами на концах [26–29]. В распределенных резонаторах результирующее стоячее СВЧ поле является суперпозицией двух бегущих навстречу друг другу волн с близкими по величине амплитудами, причем взаимодействие электронного пучка происходит в основном с попутной ему волной. При этом в распределенных резонаторах, что подчеркивается самим названием, в отличие от однозазорных резонаторов с кратковременным взаимодействием пучка с полем зазора, взаимодействие носит длительный (несколько полупериодов СВЧ поля), накопительный характер, т. е. как и в отрезках замедляющей системы ЛБВ. В то же времяРР, в отличие от согласованных отрезков ЗС, характеризуются резонансными свойствами, т. е. существованием собственных частот, на которых имеет местозаметное нарастание СВЧ полей, наличием больших значений собственной и нагруженной добротностей и рядом других параметров, которые свойственны обычным классическим резонаторам.
Усилительные клистроны с распределенным взаимодействием пока не нашли широкого применения, несмотря на весьма высокие результаты, полученные в первых экспериментах с использованием простейших схем [28, 30]. Связано это, в первую очередь, со склонностью клистронов с РРк самовозбуждению. При этом возбуждение может иметь место не только в рабочей полосе частот усилителя, но и на частотах, лежащих за ее пределами. Особенно критичными к самовозбуждению приборы сРРстановятся при повышении первеанса электронного пучка.
Большинство работ, связанных с исследованием распределенных резонаторов посвящено созданию именно усилительных приборов. Теоретических же и экспериментальных работ, исследующих генераторы на основе РР, практически нет.
Вообще говоря, явление самовозбуждения резонаторов наблюдается и в клистронах с обычными, короткими по сравнению с длиной волны, резонаторами. Прибор, принцип действия которого основан на этом явлении, получил название монотрон, так как генерация СВЧ сигнала в нем происходит при помощи единственного резонатора.
Однако для монотронов с обычными резонаторами КПД оказывается сравнительно низким (по разным оценкам – от нескольких процентов до десятка процентов) [31].
Для монотрона, использующего распределенный резонатор, по предварительным оценкам, удается поднять КПД в несколько раз.
Рассмотрим работу монотронного генератора на основе неустойчивости электронного пучка в распределенном резонаторе.
Примем, что в РРсуществует достаточно большая по амплитуде стоячая волна. Любую стоячую волну при условии достаточно малых потерь мы можем представить в виде суперпозиции двух бегущих волн – прямой и обратной, причем в линейном режиме можно рассматривать взаимодействие пучка электронов только с прямой волной.
Рассмотрим ансамбль электронов, попадающих в РР, в котором за счет действия ранее прошедших резонатор электронов создано СВЧ поле. Данная ситуация отличается от рассмотренного выше случая с ЛБВ существенно большей амплитудой СВЧ поля. Пусть сначала скорость электронов пучкаv0равна фазовой скорости прямой волныvф. Первоначально количество электронов, попадающих в ускоряющую фазу поля, равно числу электронов, попадающих в тормозящую фазу поля. Однако за счет того, что электроны, попавшие в ускоряющую фазу поля, получают положительное приращение скорости +v, они пролетают область взаимодействия быстрее, чем электроны, попавшие в тормозящую фазу и получающие отрицательное приращение скорости. При этом получается, что в среднем по времени в резонаторе количество тормозящихся электронов, отдающих свою энергию СВЧ полю, больше, чем количество ускоряющихся электронов, эту энергию у поля отбирающих.
Таким образом, даже при условии равенства фазовой скорости прямой волны vфи скорости электроновv0, можно осуществить процесс преобразования кинетической энергии электронов в энергию СВЧ поля. Если жеvф v0, то при достаточно большой амплитуде СВЧ поля в рассматриваемой системе могут образовываться электронные сгустки, движущиеся в тормозящей фазе поля, несмотря на малые продольные размеры области взаимодействия.