книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ

сывающие траекторию электрона. В предположении, что в момент времени to= d все координаты и скорость элек­ трона равны нулю, получается

Система уравнений (49) описывает циклоиду, т. е. след движения некоторой точки, находящейся на окружно­ сти с радиусом г = mEjeB2, которая вращается с угловой

Рис. 37. Катящаяся окружность и траектории электронов в скрещенных электрическом и маг­ нитном полях.

скоростью ю = еВ/m (циклотронная частота) и катится по оси х с поступательной скоростью vL = EfB (рис. 37).

Такую же траекторию описывает электрон в неко­ торой системе плоских электродов, когда катод лежит в плоскости у = 0, а анод в плоскости у = Ь (рис. 38). Выходящий из катода электрон, который в отсутствие магнитного поля двигался бы прямолинейно к суще­ ственно положительному аноду, магнитным полем бу­ дет отклоняться и двигаться к аноду по криволинейной траектории. Если напряженность магнитного поля больше критической

что электрон вообще не достигнет анода и вернется обратно на катод. Диаметр окружности, качение которой

61

дает циклоиду, равный 2тЕ/еВ2, в этом случае меньше, чем расстояние d между катодом и анодом. Электроны движутся в промежутке катод — анод по циклоиде.

Анод

’УТ/71'/7777У77777777/77111^ 7г/г777~7У777^77... Г

Иатод

Рис. 38. Траектории электронов (в отсутствие ко­ лебаний) в лампе со скрещенными полями с рас­ стоянием d между катодом и анодом для раз­ личных условий:

1 —электроны попадают на анод

)•

Соответствующим образом движутся электроны и в промежутке между цилиндрическим катодом и коакси­ альным ему цилиндрическим анодом.

б) Лампы бегущей волны со скрещенными полями

Исходя из общих соображений, необходимо сделать так, чтобы траектория электрона в скрещенных элек­ трическом и магнитном полях соответствовала такому же продольному движению, как и в обычных ЛБВусилителях сверхвысоких частот. На рис. 39, а схема­ тически показано устройство лампы бегущей волны со скрещенными полями, позволяющее пояснить ее прин­ цип действия. Замедляющей системой является так называемая «гребенка» (см. рис. 22,а), в которой воз­ буждается прямая волна (фазовая и групповая ско­ рости направлены в одну и ту же сторону). Взаимо­ действие между волной и движущимися по своим траек­ ториям электронами имеет место в том случае, если фазовая скорость волны примерно равна скорости по­ ступательного движения электронного потока и^=Е/В.

62

В противоположность обычным лампам бегущей волны с продольным магнитным полем, в лампах со скрещен­ ными полями на электроны действует не только акси­ альное электрическое поле волны, но и трансверсаль­ ная (поперечная) компонента поля. Трансверсальное электрическое поле распространяющейся волны векторно складывается со статическим поперечным электриче­ ским полем. Поэтому в области А суммарное электри­ ческое поле Е, а вместе с ним и поступательная ско­ рость электронного потока vL = E/B больше, чем в том

поле и скорость соответственно меньше. Таким обра­ зом, электроны в области с большей напряженностью поперечного электрического поля движутся быстрее, а в области с меньшей напряженностью — медленнее. Это приводит к осуществлению группировки (фазовой фо­ кусировки) электронов в областях тормозящего про­ дольного электрического поля волны. Причиной фазовой фокусировки, в отличие от обычных ламп бегущей вол­ ны, здесь является действие не продольной, а попереч­ ной компоненты поля волны. Продольная компонента поля волны в ЛБВ со скрещенными полями вызывает

63

в кольцо, так что их вход и выход оказываются рядом. Лампы такого типа обеспечивают, например, на ча­ стоте около 1400 Мгц усиление до 20 дб и выходную мощность до 450 вт при КПД порядка 40% в непре­ рывном режиме. В импульсном режиме выходная мощ­ ность может достигать сотен киловатт. На рис. 40 по­ казан один из таких усилителей, которые носят назва­ ние амплитронов.

Особой разновидностью ЛБВ со скрещенными по­ лями является лампа типа «усилительная линза» (Ele­ ctromagnetic Amplifying Lens — EAL). В этой лампе усиливаемая волна направляется в пространство взаи­ модействия с помощью специальной СВЧ-линзы; после усиления СВЧ-волна излучается через другую такую же линзу. В подводящем и отводящем волноводах здесь нет необходимости. Такая лампа, прежде всего, имеет значение для миллиметрового диапазона воли; правда, в этом случае для ее работы необходимо очень сильное магнитное поле.

в) Лампы обратной волны со скрещенными полями

Выше было показано, что существуют лампы бегу­ щей волны со скрещенными полями, которые являются аналогами обычных ЛБВ с продольным магнитным по­ лем. Соответственно имеются и лампы обратной волны со скрещенными полями, аналогичные лампам обрат­ ной волны с продольным магнитным полем. Здесь так­ же используется обмен энергией между электронным потоком и обратной волной в замедляющей линии. Лампы обратной волны со скрещенными полями яв­ ляются генераторами СВЧ. К их особым преимуществам следует отнести высокий КПД (примерно в десять раз выше, чем у обычных ЛОВ), сочетающийся с возмож­ ностью широкодиапазоиной перестройки частоты.

г) Магнетроны

Технически важным видом ламп со скрещенными полями является магнетрон. Его принцип действия по­ добен ЛБВ со скрещенными полями, в которой вход и выход кольцевой замедляющей системы замкнуты друг на друга. Этим обеспечивается обратная связь,

благодаря которой магнетрон представляет собой ге­ нератор с самовозбуждением. Рис. 41 поясняет устрой­ ство замедляющей системы магнетрона. Она состоит в данном примере из восьми щелей, которые профрезерованы внутри массивного медного цилиндра. Система

Рис. 41. Замедляющая система и дисперсионная кривая восьмищеле­ вого магнетрона:

кривая / —без связок н кривая 2 —со связками.

такого рода может возбуждаться на многочисленных собственных частотах. Это значит, что на длине окруж­ ности такой кольцевой линии (замедляющей системы) должно укладываться k длин волн, где k — целое число. Определение собственных частот и установление усло­ вий работы целесообразно производить с помощью дис­ персионной диаграммы, приведенной на рис. 41. По оси ординат отложено отношение скорости света к фазовой скорости Vф волны, бегущей по окружности замедляю­

радиус замедляющей системы, т. е. радиус анода); по оси абсцисс откладывается длина волны в вакууме Яо в виде безразмерного отношения Яо/гА. Максимальное возможное изменение фазы переменного поля на каж­ дом элементарном четырехполюснике (щели) состав­ ляет л, так что на длине окружности замедляющей ли­ нии может укладываться максимум N/2 длин волн при числе щелей N. Для магнетрона с количеством щелей

6 6

явления избавляются тем, что синфазные по напряже­ нию анодные сегменты попарно соединяются металличе­ скими дужками (так называемыми «связками»), которые для собственных колебаний л-вида представляют собой малые емкости. Они включены параллельно емкостям щелей замедляющей системы и сдвигают собственную частоту л-вида в область более низких частот, а на соб­ ственные частоты других видов колебаний связки прак­ тически не влияют. Введение связок отражается на виде дисперсионной характеристики: на рис. 41 кривая 2 со­ ответствует наличию связок, кривая / характерна для замедляющей системы без связок.

На рис. 42 показана конструкция магнетрона с си­ стемой типа так называемого «восходящего солнца» [7]. Здесь в кольцеобразной замедляющей системе чере­ дуются щели с различной глубиной, причем собственная частота л-вида лежит между собственными частотами несвязанных между собой полостей. Такой способ обе­ спечивает преимущественное возбуждение л-вида. В то время как связки применяются в магнетронах сантимет­ ровых волн, магнетронам с системами типа «восходящее солнце» отдается предпочтение в миллиметровом диа­ пазоне.

Особые требования предъявляются к катодам, ис­ пользуемым в магнетронах. В то время как при работе в непрерывном режиме катод должен обеспечить эмис­ сией величину анодного тока от 1 до 2 а, пиковые значения токов в импульсных магнетронах значительно выше (от 10 до 100 а). При этом следует обратить вни­ мание на то, что ускоренные СВЧ-полем электроны, воз­ вращающиеся на катод, отдают ему энергию и приво­ дят к дополнительному разогреву катода. В качестве эмиттеров для магнетронов используют катоды из торированного вольфрама в форме петли или спирали, или так называемые L-катоды. С такими катодами соз­ даются магнетроны, имеющие срок службы от 500 до 3000 часов. При этом надо учесть, что фактическая импульсная длительность работы катода чрезвычайно мала и при скважности 1 1000 за тысячу часов работы катод обеспечивает высокую импульсную эмиссию, в общей сложности, всего лишь в течение часа.

Магнетроны прежде всего необходимы как генерато­ ры большой импульсной мощности (порядка мегаватт)

6 8

в радиолокационных устройствах. Другой областью при­ менений является промышленный нагрев различных ма­ териалов. Наиболее короткие волны, генерируемые при помощи магнетронов, составляют Я=2,5 мм при им­ пульсной мощности до 2,5 кет [8]. Длительность импуль­ сов 0,1 мксек, средняя мощность 0,5 вт.

6. Генераторы с релятивистскими электронными пучками

а) Ондулятор

Для получения субмиллиметровых волн были соз­ даны генераторные лампы, в которых использовалось электромагнитное излучение электронов, ускоряющихся в электрических магнитных полях. Такая возмож­ ность получения «ультрасверхвысоких» частот вытекает из уравнений электродинамики (уравнений Максвелла), согласно которым с каждым ускоренно движущимся зарядом связано поле излучения.

Первым примером такого генератора является он­ дулятор, основанный на использовании релятивистского эффекта Допплера. В нем электронный пучок, движу­ щийся с релятивистской скоростью (близкой к скорости света), модулируется по скоростям полем СВЧ, груп­ пируется в сгустки и проходит через серию периодиче­ ски расположенных друг за другом областей, в которых действует магнитное поле с разной полярностью. При этом электронные сгустки движутся по синусоидальным траекториям (рис. 43,а). Отклоняясь в магнитном поле, они испускают электромагнитные волны, частота кото­ рых, с точки зрения наблюдателя, на которого движется электронный пучок, увеличивается из-за эффекта Доп­ плера. Длина волны излучения равна

Здесь 0 — угол, под которым приемник излучения на­ правлен к оси электронного пучка, |3 = и/с— отношение скорости движения электронов к скорости света. Вели­ чина Хе определяет пространственный период структуры магнитного поля. Для v=2 Мэе, т. е. р=0,98, Л<?=5 см и 0= 0, можно вычислить, что длина волны излучения

69

Я«1 мм. Сообщая электронам скорости от 1 до 10 Мэе, можно генерировать субмиллиметровые волны.

Чтобы получить сколько-нибудь значительную СВЧ-мощность, электроны должны быть сфокусированы в когерентно излучающие электронные сгустки. Условия

в )

Рис. 43. Ондулятор:

а —при щип действия; б —сжатие электронов при реляти­ вистских скоростях; в —диаграмма излучения.

когерентности требуют, чтобы пространственное расши­ рение электронного сгустка, который образуется в ре­ зультате модуляции по скорости по тому же принципу, что и в клистронах, было мало по сравнению с доппле­ ровской длиной волны излучения. Мощность излучения пропорциональна квадрату напряженности электриче­ ского поля. Напряженность поля в свою очередь яв­ ляется суммой напряженности полей, создаваемых от­ дельными электронами. Если размер излучающего па­ кета электронов больше длины волны излучения, то в результате получится сумма квадратов напряженностей «единичных» полей. Если же электронный пакет меньше

7 0