книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ

Возврат электронов обеспечивается тем, что на не* котором расстоянии после зазора резонатора поме­ щается отражатель — электрод, потенциал которого отрицателен относительно катода. С помощью напря­ жения, приложенного к отражателю, устанавливается необходимое время пролета электронов между резона­ тором и отражателем. Имеется целый ряд областей значений напряжения на отражателе, в которых выпол­ няются условия, налагаемые на время пролета, и воз­ никает самовозбуждение. На рис. 29 показано в разрезе

Рис. 2Э. Сечение конструкции отражательного клистрона (модель RK25 фирмы «Сименс») и и траектории электронов.

устройство отражательного клистрона и отмечены (пунктиром) траектории электронов.

Возвращающиеся в резонатор электронные сгустки возбуждают в нем переменный ток, фаза которого (относительно переменного напряжения на резонаторе) зависит от среднего расстояния до точки поворота электронов. Рассматривая возбуждение этим переменным током СВЧ-колебаний, можно перейти к представлению об активной и реактивной проводимости резонатора; последняя при увеличении отрицательного напряжения отражателя переходит от положительных к отрицатель­ ным значениям. В результате этого осуществляется из­ менение частоты, причем из-за одновременного измене­ ния величины активной проводимости изменяется и СВЧ-мощиость (рис. 30). Изменение частоты при ос­ новной частоте, например, 3 Ггц составляет около 1 Мгц/в. Поскольку зависимость изменения частоты от напряжения отражателя близка к линейной, процесс

изменения частоты можно использовать для стабилиза­ ции частоты путем регулировки напряжения отража­ теля или для осуществления частотной модуляции. От­ ражательные клистроны выполняются в виде различ­ ных конструктивных вариантов, в некоторых из них предусмотрено дополнительное изменение частоты ге­ нерации путем механической деформации гибкой стенки резонатора (перестройка осуществляется примерно на

катода) трудностями теплоотвода, а также опасностью возникновения электрического пробоя между весьма ма­ лыми и исключительно близко друг к другу располо­ женными внутренними элементами лампы. Так, в одном из наиболее коротковолновых отражательных клистро­ нов, генерирующем на длине волны %= 2,3 мм при мощ­ ности около 20 мет, напряжение питания достигает 2500 в [5]. Эта лампа характеризуется следующими раз­ мерами: поверхность катода 0,6 мм2, ширина рабочего зазора резонатора 0,15 мм, диаметр резонатора 1 мм, высота 0,5 мм. Из этого примера видно, насколько зна­ чительны трудности изготовления отражательных кли­ стронов для очень коротких волн.

В некоторых типах ламп, использующих отраженные электронные потоки, электроны многократно проходят через переменное поле колебательного контура и, соот­ ветственно, передача их энергии контуру носит много­ ступенчатый характер. Примерами этого являются стро-

52

фотрон и клистрон с многократным отражением. В этих лампах достигается несколько более высокий коэффи­ циент полезного действия по сравнению с обычными отражательными клистронами, технического значения они, однако, не имеют. Все эти генераторы являются как бы развитием принципа генераторной лампы Баркгаузена — Курца, которая представляет собой триод со значительным положительным потенциалом сетки и не­ большим, отрицательным относительно катода, потен­ циалом анода’. В такой лампе электроны «качаются», проходя туда и обратно через сетку, с частотой, зави­ сящей от величины постоянного напряжения. Они на­ водят в контуре, подключенном к лампе и настроенном на частоту качаний, высокочастотные колебания. Ге­ нератор Баркгаузена — Курца является первой лампой, в которой использовались пролетные эффекты. Колеба­ ния с помощью такого генератора были получены впер­ вые в 1919 г.; сейчас эта лампа представляет только исторический интерес.

3.Лампы бегущей волны

Вописанных выше электронных СВЧ-лампах про­ цесс усиления определяется взаимодействием электрон? ного потока с неподвижным полем СВЧ, например, в зазоре объемного резонатора. В противоположность этому рассматривающиеся далее лампы основаны на взаимодействии потока электронов со сверхвысокочастотиым полем распространяющейся «бегущей» волны. Такое взаимодействие возможно только в том случае, если волна и электроны движутся с равными или почти равными скоростями.

Существенным элементом лампы с бегущей волной (ЛБВ) является замедляющая линия, по которой рас­ пространяется высокочастотное поле и в которой умень­ шается скорость его распространения. В качестве за­ медляющей линии в лампах бегущей волны чаще всего используется спираль (см. рис. 22,а), вдоль оси которой движется электронный пучок. По спирали усиливаемая электромагнитная волна распространяется со скоро­ стью, примерно равной скорости света. При этом на оси спирали создается электрическое СВЧ-поле, которое пе­ ремещается в направлении распространения волны.

53

Скорость аксиального перемещения этого поля меньше, чем скорость света с, и равна

где nD — длина одного витка и р — шаг спирали. Соот­ ношение (42) практически не зависит от длины волны А., если только

2,5nD.

Скорость электронов v в направлении оси замед­ ляющей линии определяется постоянным напряжением питания спирали U:

личины достигает 1/10 скорости света. При этом она уже может быть сравнима с аксиальной скоростью рас­ пространения СВЧ-поля, обменивающегося энергией с

Рис. 31. Пояснение процесса фазовой фокусировки в лампе бегущей волны.

чертой лампы бегущей волны является то, что модуля­ ция скоростей и фазовая фокусировка происходят вдоль всего пути движения электронов. Рис. 31 иллюстрирует этот процесс так, как он выглядит с точки зрения на­ блюдателя, движущегося вместе с электронами и по­ лем волны. Стрелками показано направление сил элек­ трического СВЧ-поля бегущей волны, действующих на

54

электроны; электроны группируются в тех областях пространства, где ускоряющая аксиальная компонента СВЧ-поля переходит в тормозящую. Если скорость электронов несколько превосходит скорость распростра­ нения поля, то сгруппированные в результате фазовой фокусировки электроны движутся постоянно в тормозя­ щем поле волны и пополняют ее энергию за счет кине­ тической энергии потока электронов. Благодаря этомумеханизму электромагнитная СВЧ-волна, распростра­ няющаяся по замедляющей линии, будет усиливаться. Количество энергии, которое может быть передано СВЧполю, определяется той долей кинетической энергииэлектронов, которая соответствует разнице между скоро­ стью электронов и скоростью распространения аксиаль­ ного СВЧ-поля в линии. Эта разница, вообще говоря, относительно невелика, так что коэффициент полезногодействия таких ламп бегущей волны составляет в сред­

электронами и СВЧ-полем. Этот коэффициент опреде­ ляется отношением квадрата напряженности продоль­ ного электрического поля волны Ег в той области, где проходят электроны, к величине передаваемой по за­

55

ствуют лампы бегущей волны для различных частотных диапазонов с выходными мощностями до нескольких киловатт. В зависимости от диапазона и мощности их конструкции бывают различных типов.

4. Лампы обратной волны

Генераторная лампа обратной волны (называемая также «карсинотроном») является специфической раз­ новидностью лампы с бегущей волной, в которой фазо­ вая скорость распространяющихся по замедляющей си­

том D. Важным свойством упомянутой замедляющей системы является сильное изменение фазовой скорости распространяющейся в ней волны при изменении часто­ ты. Электронный пучок возбуждает в замедляющей линии волну, фаза которой перемещается в том же направ­ лении, что и электронный поток. Энергия усиливаемой волны переносится с групповой скоростью во встречном направлении к началу замедляющей линии, где и выво­ дится из лампы. Поле волны начинает управлять ско­ ростью электронов и их плотностью сразу при входе пучка в замедляющую линию. Это и обеспечивает об­ ратную связь. Возбуждение происходит на такой частоте,

58

при которой получается оптимальное взаимодействие ме­ жду электронами и волной. Частота волны в случае самовозбуждения определяется ходом дисперсионной характеристики замедляющей линии (рис. 35,6). При изменении постоянного напряжения питания замедляю­ щей системы частота будет плавно меняться в пределах достаточно широкой области значений (примерно в ок­ таве) ; с этим связаны важные особенности ламп об­ ратной волны. В противоположность отражательному клистрону, у которого обратная связь также обеспечи­ вается с помощью электронного потока, в лампе обрат­ ной волны отсутствует какой бы то ни было резонанс­ ный контур. Если ЛОВ работает при токе в пучке меньшем, чем так называемый «пусковой ток» (вели­ чина тока, начиная с которой уже может возникнуть самовозбуждение), то она может использоваться как селективный усилитель СВЧ.

Генераторные лампы обратной волны прежде всего имеют значение для миллиметрового диапазона волн.

Рис. 36. Рабочие характеристики ЛОВ типа СО 07 на волну 0,7 мм (фирма «CSF»).

С помощью этих ламп можно получать чрезвычайно короткие волны с длиной порядка %= 1 мм и даже не­ сколько короче. На рис. 36 приведены в качестве при­ мера графики характеристик карсинотрона, работаю­ щего в диапазоне Я,— 0,7 мм. Элементы, из которых строятся ЛОВ-генераторы для очень коротковолновых диапазонов, имеют соответственно очень малые размеры.

59

5. Лампы со скрещенными полями*)

Сюда относится специальная группа ламп, исполь­ зующих пролетные эффекты, в которых электронный поток движется в постоянном электрическом и постоян­ ном магнитном полях, причем направление движения электронов и направления того и другого поля взаимно перпендикулярны. Прежде чем перейти к различным типам ламп со скрещенными полями, необходимо про­ анализировать движение электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях.

а) Траектории электронов в магнитных полях

Рассмотрим траекторию электрона в однородном магнитном поле (магнитная индукция В направлена по оси z в прямоугольной системе координат) и в перпен­ дикулярно к нему направленном электрическом поле Е (в отрицательном направлении оси у) В этой системе уравнения движения электрона выглядят следующим образом:

(47)

( т и е — соответственно масса и заряд электрона, / — время, vx, vy, vz— компоненты скорости в направлении координат х, у, г). Общее решение этих уравнений дает

*) Для них употребляется также название «приборы типа М»

(Прим, перев.).