34

1. Физические основы работы вакуумных электронных приборов диапазона свч

1.1. Особенности эп свч в сравнении с электронными лампами

Электронные приборы СВЧ имеют следующие отличия от ламп:

1) КС или электродинамическая замедляющая система (ЗС), как правило, встроена непосредственно в ЭП;

2) размеры КС и ЗС соизмеримы с длиной волны генерируемой (усиливаемой) электромагнитной волны (ЭМВ) или существенно превышают ее;

3) время пролета электронов tв ЭП соизмеримо или больше периодаТколебаний СВЧ; соотношениеt/Тучитывается с помощью угла пролетаq= 2pt/Т= 2pft=wt(рад),показывающего насколько меняется фаза СВЧ колебаний за времяпролетаэлектрона или их группы (сгустка) между соответствующими электродами КС или ЗС; угол q может достигать в ЭП десятков радиан.

В отличие от ЭП в усилительных и генераторных лампах (триодах, тетродах) и транзисторах рост q на СВЧ приводит к нарушениюили прекращению работы лампы (транзистора). Например, если за время движения от катода (истока) до управляющей сетки (затвора) положительная фаза на ней (нем) успеет измениться на противоположную (q=p), то электроны не могут двигаться к аноду (стоку). Лампа, транзистор окажутся запертыми. В электрических приборах СВЧ наличие большихq, наоборот, используется для формирования промодулированных по плотности электронных пучков и является свойством этих приборов. Обычно ЭП СВЧ – это готовый к применению усилитель или автогенератор СВЧ, не требующий изготовления дополнительно КС или ЗС. Для всех ЭП СВЧ необходимы один или несколько внешних источников питания (ИП).

1.2. Физические принципы работы эп свч

Можно выделить следующие отличительные особенности работы ЭП СВЧ.

1. Основой работы ЭП СВЧ является взаимодействие потока электронов в вакуумном баллоне с постоянным электрическим полем напряженностью Е₀и переменной электрической составляющейЕ_~электромагнитного поля (ЭМП) в присутствии (для большинства ЭП) постоянного магнитного поля напряженностьюН₀, служащего для фокусировки электронного пучка или участвующего в получении сгустков определенной формы (например, в виде «спиц»).

Действующие на электроны силы со стороны электрического F_Eи магнитногоF_Нполей определяются уравнением Лоренца

, (1.1)

где v,m, –e– вектор скорости, масса и заряд электрона;В=mН– магнитная индукция;Н– напряженность магнитного поля;m– относительная магнитная проницаемость (в вакуумеm= 1 и поэтомуВ=Н).

Если v~c(скорость света), то ЭП называются релятивистскими. Для нихm=var(, гдеm₀– масса покоя электрона), и анализ движения электронов в них усложняется. Для обычных ЭПv <<cиm @m₀, и уравнение Лоренца упрощается

. (1.2)

Приборы, в которых для фокусировки используется продольное, т. е. параллельное пучку, магнитное поле с напряженностью Н₀ (сжатие пучка за счет силы Лоренца F_H), называются приборами типа О. Приборы, в которых используется перпендикулярное пучку магнитное поле с напряженностью Н₀, называются приборами типа М. Приборы, в которых для фокусировки электронов в пучок используются дополнительное электрическое постоянное поле напряженностью Е_ф и центробежные силы за счет инерции электронов, называются приборами типа Е. Обычно здесь используется центробежная электростатическая фокусировка (ЦЭФ).

2. Во всех ЭП СВЧ для пополнения энергии ЭМП (получения его, усиления или генерации) используется передача энергии сгустками электронов в тормозящей фазе переменной электрической составляющей Е_~этого поля. Если при этом средняя скорость сгусткаv_ср =v₀уменьшается, то будет отдаваться кинетическая энергия (этот принцип используется в приборах типа О, гдеv₀ > v_ф ); если же средняя скорость сгусткаv_сростается постоянной, то будет изменяться его положение в постоянном электрическом поле, т. е. его потенциальная энергия (этот принцип используется в приборах типа М,v_ср =Е₀/Н₀ =v_ф, гдеv_ф – фазовая скорость волны ЭМП).

3. Для получения пучка или потока электронов с током I₀ в ЭП используются подогревные горячие катоды, а иногда дополнительно – холодные катоды с вторичной эмиссией (например, в дематронах и бидематронах). Движение электронов в ЭП происходит за счет положительных потенциалов (напряжений), прилагаемых к одному или нескольким электродам. Управление величиной электронного потока осуществляется изменением положительного или отрицательного потенциала на промежуточном или управляющем электроде, а управление скоростью потока – на последнем электроде.

4. Расчет параметров ЭП СВЧ (например, мощности) выполняется на основе представлений о наведенном токе I_навво внешней цепи, соединяющей пару проводящих элементов КС или ЗС, вблизи или между которыми движется со скоростьюv₀электронный сгусток с зарядом –q

(1.3)

где d– расстояние между электродами (рис. 1.1). Наведенный токI_навобусловлен ростом наведенного заряда +q₂(так как –qприближается к электроду 2) и уменьшением заряда +q₁ (–qудаляется от электрода 1). Движение заряда –qобразует конвекционный токI_конв (ток переноса зарядов), направление которого совпадает в образующемся контуре тока с направлениемI_нав(см. рис. 1.1).

5. При наличии между электродами переменного поля СВЧ взаимодействие электронов с электрической составляющей ЭМП рассчитывают с учетом угла пролета qмежду электродами и коэффициента взаимодействия

Рис. 1.1. Схема механизма наведения тока движущимся зарядом

, где . (1.4)

При q®0 коэффициентМ®1 (рис. 1.2). Приq= 2pкоэффициентМ= 0, т. е. взаимодействие будет фактически отсутствовать, поскольку половину периода электроны с зарядом –qбудут ускоряться и их скорость увеличиваться на величинуDv, а за другую половину периода их скорость настолько же уменьшится, и, таким образом, сохранитсяv₀ =const. С учетомMамплитуда наведенного переменного тока

I_нав =МI_конв. (1.5)

Рис. 1.2. Зависимость коэффициента взаимодействия М от угла пролета 

6. Достижение электронами скорости v₀ осуществляется с помощью ускоряющегонапряженияU₀

. (1.6)

Скорость v₀ находится из приравнивания потенциальной и кинетической энергии электрона.

7. Получение электронных сгустков в ЭП СВЧ основано на модуляции равномерного электронного потока по скорости с помощью электрической составляющей ЭМП СВЧ, переходящей затем в модуляцию по плотности за счет группировки электронов: одни электроны ускоряются, другие тормозятся, в результате чего и образуются через некоторое время их скопления – сгустки. При модуляции пучка синусоидальным полем с малой амплитудой Е_~( по сравнению с напряженностью ускоряющего поляЕ₀) приращение скорости также близко к синусоидальному

, (1.7)

где U_m =E_~d– модулирующее напряжение,– приращение скорости.

8. Модуляция электронов по скорости может осуществляться: а) между парой электродов, соединенных с источником модулирующего напряжения СВЧ; в частном случае это может быть зазор или две сеточки, связанные с резонатором СВЧ, подключенным к генератору сигнала СВЧ ( ГСВЧ) или имеющим собственные незатухающие колебания (рис. 1.3); б) в цепочке из последовательно расположенных модулирующих зазоров, связанных каждый со своим резонатором и образующих узкополосную замедляющую систему (УЗС),

Рис. 1.3. К пояснению модуляции электронного потока по скорости в зазоре резонатора

в которой распространяется бегущая (или смешанная со стоячей) волна (рис. 1.4), или аналогично – из зазоров широкополосной замедляющей системы (ШЗС) (рис. 1.5).

Рис. 1.4. Узкополосная замедляющая система

Рис. 1.5. Широкополосная замедляющая система

9. Наведение тока во внешней цепи зазора (в КС или ЗС) приводит к появлению СВЧ напряжения на эквивалентном сопротивлении этой цепи Z_э, при этом полярность падения мгновенного значения напряжения будет такова, что пролетающий сгусток электронов будет тормозиться в возникающем электрическом поле и энергия электронов станет отдаваться в резонатор (рис.1.6,а) или в ЗС. Эквивалентная схема процесса показана на рис. 1.6,б.

Рис. 1.6. Наведение тока во внешней цепи зазора

10. В соответствии со способом модуляции равномерного потока электронов (в зазоре резонатора, в цепочке резонаторов, в ШЗС ) различают приборы:

1) с кратковременным взаимодействием (в одном зазоре);

2) с длительным взаимодействием (в ЗС, где поток электронов должен двигаться примерно со скоростью замедленной ЭМВ);

3) узкополосные (при использовании одного резонатора или их цепочки в виде узкополосной ЗС);

4) широкополосные, где применяются ШЗС.

11. Ввиду неравномерности группировки электронов по плотности (в сгустки) конвекционный и наведенный токи получаются в виде импульсов, следующих с периодом колебаний СВЧ. Последовательность импульсов можно представить рядом Фурье в виде

, (1.8)

где J_n(nX) – функция Бесселя 1-го родаn-го порядка от аргументаX, аX =МU_m/2U₀– параметр группировки в пространстве длинойs(=ws/v₀).

Наличие основной и высших гармоник тока позволяет использовать электронные приборы и в режимах умножения частоты (например, пролетный умножительный клистрон).